80 Channel Photon Pair Source from a Thin-Film Lithium Niobate Racetrack Microresonator

技術要約：薄膜リチウムナイオベート・レーストラック・マイクロレゾネータによる80チャネル光子対光源

問題提起
自発的パラメトリック下方変換（SPDC）および自発的四光波混合（SFWM）を利用したナノフォトニック・プラットフォームは、量子鍵配送（QKD）、量子テレポーテーション、量子イメージングなどの量子アプリケーションの基礎となっている。共振器は非線形相互作用を強化し、自然なスペクトルフィルタリングを提供する一方で、既存のこれらのプラットフォームに基づく光子対光源は、利用可能な光子対チャネルの数において制限されることが多い。この制限は、マルチプレクシング（多重化）や複数のチャネルへのアクセスによって容量、信頼性、および高次元もつれから大きな恩恵を受ける量子情報処理、通信、およびセンシングシステムのスケールアップを阻害している。

手法
著者らは、Xカット薄膜リチウムナイオベート（TFLN）レーストラック・マイクロレゾネータを用いたマルチチャネル光子対光源を開発した。デバイスの設計および作製には、以下の主要なステップが含まれる：

• 材料スタック： Si基板上の2 μmのSiO2クラッド層上に、5% MgOドープされた600 nm厚のXカットLN層を配置。MgOドープは、光学的な損傷に対する耐性を高めるために採用された。
• レゾネータ設計： デバイスは、総長2668 μmのマイクロレーストラック型レゾネータを備えている。SPDCを可能にするため、一つの直線セグメント（0.7 mm）は4.767 μmの周期で周期的に分極されている。
• 結合エンジニアリング： バス導波路は、15 μmの長さにわたる0.7 μmのギャップを介してレゾネータに結合されている。結合は、生成された光子対をバス導波路へ最大限に脱出させるため、テレコム波長において「オーバーカップリング（外部品質因子 $Q_e <$ 内部品質因子 $Q_i$）」となるよう設計された。
• 作製プロセス： プロセスには、電極パターニングのためのダイレクトライトグラフィ、Au/Crの電子ビーム蒸着、高電圧ポリング、電極のウェットエッチング、導波路定義のためのHSQレジストを用いた電子ビビームリソグラフィ、350 nmのLNを除去するための反応性イオンエッチング（Arガス）、およびPECVD SiO2クラッドが含まれる。最終工程には、ダイシング、クレaving（劈開）、反射防止コーティング、および500°Cでのアニーリングが含まれる。
• 特性評価セットアップ： デバイスは780 nm付近の可視光でポンプ励起された。商用のウェーブシェイパー（Finisar WaveShaper 4000A）を用いて、特定の信号・アイドラーのチャネルペアを選択した。検出は、タイムタガーに接続された超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）を用いて行われた。測定には、非縮退ペアに対する相互相関、および縮退ペアとヘラルド（標識）された単一光子に対する自己相関が含まれる。

主な貢献と結果

• 80個の測定チャネル： 主な成果は、光通信のCバンドおよびLバンドにわたる80個の測定された光子対チャネルのデモンストレーションである。これは、このような光源としてこれまでで最多のチャネル数を示す。チャネルの周波数間隔は49.5 GHzであり、高密度波長分割多重（DWDM）と互換性がある。
• 高い光子対生成率（PGR）： キャビティの脱出効率（$\eta_{esc} = 85\%$）を考慮した後、第9チャネルにおいて125.7 kHz/μWの光子対生成率を達成した。全80チャネルにおける平均オンチップ生成率は83.5 kHz/μWであり、第19チャネルでは238.8 kHz/μWのピーク値を示した。
• 高い同時計数対偶然計数比（CAR）： システムは、357 nWのオンチップ・ポンプパワーにおいて、37,004 ± 2,496のCARを示した。
• ヘラルドされた単一光子動作： 著者らは、ヘラルドされた単一光子源として機能する能力を検証した。ヘラルドされた自己相関関数 $g^{(2)}_h(0)$ を測定することにより、2.2 mWのオンチップ・ポンプパワーで0.0544 ± 0.0054という値を得て、強い光子反バンチングを示した。
• 熱統計の検証： ペアからの単一光子の自己相関（ヘラルディングなし）は、$g^{(2)}_{auto}(0)$ が2.173 ± 0.015となり、SPDC生成光子に期待される熱統計を確認した。
• デバイス性能： デバイスは、テレコム波長において内部品質因子（$Q_i$）が$1.8 \times 10^6$、外部品質因子（$Q_e$）が$3.3 \times 10^5$であり、上述の通り高い脱出効率をもたらした。

意義と主張
本論文は、これらの知見が、スケーラブルな量子光学アプリケーションのための堅牢なプラットフォームとして、XカットTFLNが有望であることを示していると主張している。本研究は、マイクロレゾネータの低い自由スペクトル範囲（FSR）と、周期的に分極された領域の広い位相整合帯域幅を活用することで、チャネル利用可能性の制限に対処している。

著者らは、XカットTFLNが、光子の生成と、成熟した低損失・高性能な電気光学（EO）変調プラットフォームを組み合わせるという独自の利点を提供することを強調している。この統合により、同じチップ上で光子対を操作することが可能となり、これは量子情報処理、通信、およびセンシングのアプリケーションにとって極めて重要である。本光源は、他のプラットフォーム（例：InGaP）と比較してポンプパワーあたりのPGRが最も明るいわけではないが、著者らは、その競争力のある生成率が、前例のない80チャネルのペア数と組み合わさることで、マルチプレクスされた量子システムにとって重要な進歩であると断言している。