Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Çoklu Kuantum Girişimine Dayalı Koşulsuz Polarizasyon-Dolaşık FotonLar Üretmek için Fotonik Sistem

Published: September 5, 2019 doi: 10.3791/59705
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Physics, Tokyo University of Science

Summary

Oluşturulan dolaşık fotonların deneysel sadakatini tahmin etmek için bir algılama şeması ile birden fazla kuantum girişim etkilerine dayanan koşulsuz polarizasyon-dolaşık fotonların üretimi için bir optik sistem tanımlıyoruz.

Abstract

Biz yüksek emisyon oranı, geniş bant dağılımı, dejenere ve postselection ücretsiz olan koşulsuz kutuplaşma-dolaşık fotonların yüksek performanslı bir kaynak sıyoruz. Kaynağın özelliği, sagnac interferometrenin gidiş-dönüş konfigürasyonu ile çoklu kuantum girişim etkisine dayanır. Kuantum girişim efektleri, polarizasyona bulaşmış fotonların yüksek nesil verimliliğini kullanarak parametrik aşağı dönüştürmeyi ve dejenere foton çiftlerini postselection olmadan farklı optik modlara ayırmayı mümkün kılar. Gereksinim. Optik sistemin prensibi tanımlanmış ve deneysel sadakat ve Bell parametrelerini ölçmek için kullanılan, ve aynı zamanda polarizasyon ilişkili veri altı kombinasyonları en az oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonları karakterize etmek için. Deneysel olarak elde edilen sadakat ve Çan parametreleri klasik yerel korelasyon limitini aşmıştır ve koşulsuz polarizasyon adabına dayalı fotonların neslinin açık bir kanıtıdır.

Introduction

Fotonların dolaşmış durumu kuantum teorisi ve kuantum şifreleme1yeni uygulamalarda yerel gerçekçilik çalışmada önemli ilgi çekti , kuantum yoğun kodlama2, kuantum tekrarlayıcı3, ve kuantum Işınlanma4. Spontan parametrik aşağı dönüştürme (SPDC), kutuplaşma durumlarında dolaşmış foton çiftleri üretmek için doğrudan getirilen ikinci dereceden doğrusal olmayan bir işlemdir. Yarı faz eşleştirme tekniklerinde son gelişme nedeniyle, periyodik olarak poled KTiOPO4 (ppKTP) ve LiNbO3 (ppLN) standart bir teknik haline gelmiştir5. Dolaşıklık kaynaklarının çeşitli bir Sagnac interferometer6,7,8ile bu doğrusal olmayan kristaller birleştirerek geliştirilmiştir. Özellikle tip-II SPDC tarafından elde edilen ortogonal polarize foton çiftleri ile şema, koşulsuz polarizasyon-dolaşık fotonlar ve aynı zamanda ayrı dejenere polarizasyon-dolaşık foton çiftleri farklı optik oluşturmak mümkün kılar postselektifalgılama7 olmadan modları .

Buna karşılık, tip-0 SPDC basit bir kurulum ve foton çiftleri yüksek emisyon oranı avantajı vardır9. Ayrıca, type-0 SPDC'de oluşturulan foton çiftleri, tip-II SPDC'nin fotonlarına göre çok daha geniş bir bant genişliği gösterir. Birim pompa gücü başına toplam foton çifti üretim hızı, geniş bant genişliği8nedeniyle daha yüksek iki sipariştir. Korelasyon foton çiftleri geniş bir bant genişliği tespit foton çiftleri arasında çok kısa bir tesadüf süresi sağlar. Bu özellik kuantum optik koherens tomografi10gibi çeşitli potansiyel uygulamalara yol açmıştır , dolaşık fotonların akısı ile doğrusal olmayan etkileşimler yoluyla ultrakısa zamansal korelasyonlar elde etmek için11, metroloji kuantum girişim12çok dar daldırma kullanarak yöntemleri , kuantum saat senkronizasyonu13, zaman frekans dolaşıklık ölçümü14, ve çok modlu frekans dolaşıklık15. Ancak, sıradan tip-0 SPDC ile şema koşullu algılama şemaları6 veya dalga boyu filtrelemegerektirir 8 veya mekansal mod filtreleme oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonlar ayırmak için16.

Aynı anda birden fazla kuantum girişim sürecine dayalı tip-0 ve tip-II SPDC özelliklerini tatmin eden bir şema gerçekleştirdik17. Optik sistemin ayrıntıları tanımlanmış ve deneysel olarak oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonları en az sayıda deneysel veri kullanarak karakterize parametreleri ölçmek için kullanılmıştır.

Yatay (H) ve dikey (V) kutuplaşma durumunun Equation 1 Jones Equation 2 Vektörü olarak ve . Tüm olası saf kutuplaşma durumları bu iki kutuplaşma devletinin tutarlı süper konumlarından inşa edilmiştir. Örneğin, sırasıyla diyagonal(D), anti-diyagonal(A), sağ-dairesel(R) ve sol dairesel (L) ışığı aşağıdakiler tarafından temsil edilir:

Equation 3,

Equation 4, (1)

Equation 5Ve

Equation 6,

H ve V doğrusal polarizasyon bazları olarak adlandırılır. D ve A diyagonal polarizasyon üsleri olarak adlandırılır. R ve L dairesel polarizasyon üsleri olarak adlandırılır. Kutuplaşmanın bu saf ve karışık durumları, H- ve V-polarizasyon bazlarına dayalı yoğunluk matrisleri ile temsil edilebilir18.

Şemanın çalışma prensibi Şekil 1a-e'degösterilmiştir. Lazer bir polarizasyon Sagnac interferometre içine enjekte bir polarize ışın ayırıcı (PBS), iki yarım dalga plakaları 45o (HWP1) ve 22.5o (HWP2), bir ppKTP kristal ve aynalar ayarlanmış oluşur. Bu kurulum ile polarizasyon optik pompa lazer alanı ve aşağı dönüştürülmüş fotonların dalga boyu için hem de çalışır.

Pompa lazerinin H-bileşeni Şekil 1a'da gösterildiği gibi PBS'den geçer ve kurulum saat yönünde (CW) yönde turlar. Pompa lazerpolarizasyonu HWP2 ile diyagonal (D) durumuna ters oldu. Burada pompa lazer V-bileşeni aşağı dönüşüm için çalışır, ve oluşturulan fotonlar tip-0 SPDC ile V-polarize. Oluşturulan foton çiftleri SPDC polarizasyon durumu olarak temsil edilebilir:

Equation 7.  (2)

Aşağı dönüştürülmüş foton çiftleri Şekil 1b'degösterildiğigibi HWP1 kümesi ile H-polarize edilir ve polarizasyon durumu şu şekilde olur:

Equation 8. (3)

Pompa lazer ışını tekrar ppKTP içine ters foton çiftleri enjekte. İkinci SPDC oluşturulan foton çiftleri hem V-polarize ve şekil 1cgösterildiği gibi bir collinear optik modu için ilk SPDC tarafından oluşturulan foton çiftleri ile superposed . İkinci SPDC'den sonra foton çiftlerinin polarizasyon durumu şu şekilde temsil edilir:

Equation 9(4)

birinci Equation 10 ve ikinci SPDC'den foton çifti arasındaki göreli faz nerededir. Pompa lazer ve aşağı dönüştürülmüş fotonlar arasında HWP1 malzeme dağılımı tarafından belirlenir ve HWP1 yatırarak ayarlanabilir, çünkü faz zamana göre değişmez. Aşağı dönüştürülmüş fotonların H (V)-polarizasyon durumu (1)'de gösterildiği gibi A (D) durumuna ters çevrilmiştir. HWP2 çıkış foton çiftinin polarizasyon durumu şu şekilde temsil edilir:

Equation 11(5)

Faz Equation 12 HWP1 yatırılarak ayarlandığında, yalnızca ilk dönem (5) Şekil 1d'degösterildiği gibi kalır. Bu kutuplaşmaüsleri19ters Hong-Ou-Mandel (HOM) girişim sürecine karşılık gelen kuantum girişim sürecidir. H-foton PBS'den geçtiğinde ve V-fotonu PBS tarafından yansıtıldığında, PBS'den çıkış foton çiftlerinin Equation 13 polarizasyon durumu Şekil 1e'degösterildiği gibi optik mod1 ve 2 için temsil edilir.

Tersine, pompa lazerIn V bileşeni Şekil 1f'de gösterildiği gibi PBS tarafından yansıtılmış ve saat yönünün tersine (CCW) yönde tökezlenmiştir. Benzer çoklu tip-0 SPDC süreçleri ve üniter dönüşümler sayesinde, PBS Equation 14 çıktısının polarizasyon durumu . Pompa lazerinin polarizasyon durumu diyagonal (D) durumunda hazırlandığında, pompa lazerinIn H- ve V-bileşenleri arasındaki göreli faz sıfırdı. Bu nedenle, CW ve CCW yönlerden oluşturulan fotonların çıkış durumu aynı genliklerle üstlenir ve şu şekilde temsil edilir:

Equation 15.  (6)

Çıkış durumu, Bell durumlarından biri olarak bilinen kutuplaşma-dolaşık bir durumdur ve polarizasyon optikelemanları7 kullanılarak diğer üç duruma dönüştürülebilir. (1)'de gösterilen ilişki kullanılarak, çıkış durumu Equation 16 diyagonal polarizasyon tabanları ile temsil edilebilir:

Equation 17ve dairesel polarizasyon üsleri Equation 18 ile: .

Protocol

Benimsenen prosedür, Şekil 2'degösterilen genel deneysel kurulum kullanılarak dört ana aşamadan oluşmaktadır. İlk aşama SPDC için pompa lazer hazırlanması oldu. İkinci aşamada, optik interferometre - Sagnac interferometre doğrusal olmayan kristal ve optik polarizasyon bileşenleri kullanılarak inşa edilmiştir. Şekil 3'te gösterilen elektriksel bileşenler kullanılarak yapılan tesadüf ölçüm prosedürü üçüncü aşamada tanımlanmıştır. Son olarak, Şekil 4'te gösterilen gerçek foton korelasyon verileri, oluşturulan koşulsuz polarizasyon-dolaşık fotonların sadakat ve Çan parametrelerini tahmin etmek için kullanılmıştır.

1. Pompa lazer konfigürasyonu

  1. 405 nm ızgara stabilize tek frekanslı lazer diyot açın. Giriş elektrik akımını lazer diyota ve nötr yoğunluk filtrelerine indirgeyerek çıkış gücünü birkaç mW'a ayarlayın.
  2. Spektrometre olarak adlandırılan tek frekanslı bir işlemi gerçekleştirmek için lazer diyot yüzeyi ile holografik ızgara (3.600 mm−1)arasında harici bir boşluk oluşturun. Lazer diyot yüzeyine yaklaşık 45o holografik ızgara yerleştirin ve yavaş yavaş dereceayarlamak için vida hareket ettirin ve kiriş görüntüye atıfta bulunarak boşluktan çıkış gücünü maksimize.
  3. Çift polarizasyon-koruma optik fiber (PMF) tek bir mekansal mod işlemi çalıştırmak için bir lazer. Bir güç ölçer kullanarak PMF çıkış gücünü en üst düzeye çıkarmak için fiber beyit vidaları ayarlayın.
  4. Bir fiber beyit lens ile PMF çıkış lazer collimate. Çıkış lazerini bir izolatör aracılığıyla yarım dalga plakasının (HWP), çeyrek dalga plakasının (QWP) ve Şekil 2'degösterildiği gibi kısa geçişli dikroik aynaya (DM) kanalize edin. (6) gibi devlet ile polarizasyon-dolaşık fotonları üreten amacıyla, diyagonal ile pompa lazer polarizasyon durumu ayarlamak (D) 22,5oHWP ayarlayarak , ve QWP 0o.

2. İnterferometrik kurulumun inşası

  1. Dikroik ayna (DM), normal bir ayna, pbs ve boyutları ile bir ppKTP kristali yerleştirin: 10 mm uzunluğunda (kristalx- eksen), 10 mm genişliğinde(y-eksen) ve 1 mm kalınlığında(z-eksen) Şekil 2'degösterildiği gibi . PBS hem lazerin dalga boyunda (405 nm) hem de aşağı dönüştürülmüş fotonlarda (810 nm) çalışır. ppKTP kristalinin poling süresi 3.425 Equation 19 olup, 405 nm lazer pompası ile kollineer tip-0 SPDC için tasarlanmış olup, her iki dalga boyunda da yansıma önleyici kaplamaya sahiptir.
  2. Pompa lazer (405 nm) ve referans lazer (810 nm) kullanarak PBS ve aynalar ayarlayın. Girişten interferometre çıkışına kadar olan uzunluk yaklaşık 600 mm olduğundan, pbs paralelinden aktarılan ve yansıyan ışığı 600 mm'den fazla (birkaç metre için arzu edilir) için uzamsal mod eşleştirmeleri yapmak için yapın.
  3. HWP1 ve HWP2'yi kuruluma yerleştirin. Hem 405 nm hem de 810 nm dalga boyunda çalışırlar. Yüzeyden yansıyan ışığı kullanarak HWP'leri olay ışığına dik olacak şekilde ayarlayın. HWP1 açısını 45o ve HWP2'nin açısını 22,5o'ya ayarlayın
  4. Bir retroreflector'u kuruluma yerleştirin. Retroreflectörün konumunu saat yönünde (CW) ve saat yönünün tersine (CCW) referans ışınlarıaynı uzamsal modda olacak şekilde ayarlayın. İnterferometrenin çıkışından ışın profilleme görüntülerini yönlendirmek için Şekil 2'deki mod 1 ve 2'ye şarjlı bağlı aygıt (CCD) kameralar yerleştirin. Kameradaki profil oluşturma görüntülerini yönlendirerek mekansal modu eşleştirmek için aynayı ve retroyansıtıcıyı ayarlayın.
  5. Lazer ve DM için QWP arasına bir odak lama lensi yerleştirin. Girişten interferometre çıkışına kadar olan uzunluk yaklaşık 600 mm olduğundan, 300 mm odak uzunluğuna sahip bir lens seçin. birinci ve ikinci SPDC arasında aşağı dönüştürülmüş fotonların aynı düzeyde nesil verimliliği yapmak için ikinci SPDC ition.
  6. CCD kamerayı çıkarın ve Şekil 2'degösterildiği gibi 810 nm merkezi ve mod 1 ve 2'de 3 nm bant genişliğine sahip QWP'leri, polarizatörleri (POL'ler), girişim filtreleri (IFs) yerleştirin. Yansıyan ışığı kullanarak optik elemanları olay ışığına dik olacak şekilde ayarlayın. Çift algılama için fiber couplers kullanarak çok modlu lifler için referans lazer ışınları.
  7. Mod 1 ve mod 2'de DM ve QWP arasına 300 mm odak lens yerleştirin. Algılama için harmanlamak için çıkış referans lazer ışınları olun.
  8. Çok modlu lifleri Silikon (Si) çığ fotodiyotlardan yapılmış tek foton sayma modüllerine (SPCM) bağlayın. Referans lazerini kapatın. Karanlık oda durumunda SPCM'leri açın ve aşağı dönüştürülmüş fotonları sayar.
  9. Aşağı dönüştürülmüş fotonların sayım oranlarına atıfta bulunarak bir sıcaklık denetleyicisi üzerine monte edilen ppKTP kristalinin sıcaklığını ayarlayın. Uygun sıcaklık genellikle 25-30 °C'dir.
  10. Aşağı dönüştürülmüş fotonların sayım oranlarını en üst düzeye çıkarmak için HWP1'in eğim açısını ayarlayın. Sayım oranları çok zayıfsa, 1 ve 2.

3. Tesadüf sayısının ölçüm prosedürü

  1. Şekil 3'tegösterildiği gibi POL'lar ve QWP'ler kullanarak polarizasyon akıtma fotonlarını ölçmek için 1 ve 2 modundaki polarizasyon tabanlarını seçin. H (V) tabanı ile olay foton ölçümü için, 0o qwp ve 0o (90o)IÇIN POL ayarlayın. D (A) tabanı ile olay foton ölçümü için, QWP 0o ve POL 45o (-45o)ayarlayın. R (L) tabanı ile olay foton ölçümü için, QWP 45o (-45o)ve POL 0oayarlayın.
  2. Mod 2'deki SPCM'den oluşturulan transistör-transistör mantığı (TTL) sinyalini zaman-genlik dönüştürücüsünün (TAC) başlangıç sinyali girişine ve mod 1'deki sinyali elektrik gecikme hattından geçtikten sonra durdurmaya sinyal girişine (Gecikme) bağlayın. TAC, iki sinyal arasındaki zaman gecikmesine karşılık gelen 0'dan 10 V'ye kadar elektrik sinyalleri üretir.
    1. Bu denemede, gecikme çizgisi pimlerini seçerek δt gecikmesini 50 ns olarak ayarlayın. TAC kadranını ayarlayarak PC'nin ekranını 100 ns zaman aralığını gösterecek şekilde ayarlayın. Daha sonra TAC, elektrik gecikme hattı tarafından verilen 50 ns gecikme süresi olarak 5 V sinyalleri üretir. Bu nedenle 5 V sinyalleri, SPCM'lerden gelen gerçek darbelerin 0 ns gecikme süresindeki tesadüflere karşılık gelir. 0 ns gecikme süresindeki rastlantä±lar Şekil 3'te gösterildiği gibi ekran zaman aralığının merkezinde görünür.
  3. Darbe yüksekliği dağılımını ölçmek ve dağıtımı bilgisayar kontrollü (PC) çok kanallı çözümleyici (MCA) ile kaydetmek için MAESTRO-32 adlı yazılımın başlangıç düğmesini tıklatın. Bu deneyde, TAC'ın ölçüm süresini 30 s. Tac darbelerinin 0'dan 10 V'e kadar olan yükseklik dağılımını analiz edin ve bu da olay fotonları ile SPCM'ler arasında 3.2 adımda açıklanan ayarı -50 ila 50 ns gecikme süresine karşılık gelir.
  4. Darbe yüksekliği dağılımını kaydettikten sonra, Şekil 4'te gösterildiği gibi birkaç polarizasyon tabanı için darbe yüksekliği dağılım verilerini elde edin. Verilerin çözümlenmesi için tesadüf sayımları için dikkate alınacak zaman penceresini seçin. Darbe tepe genişliği ~ 1 ns SPCM çözünürlük süresi tarafından belirlenir bu yana, tesadüf zaman penceresi çözünürlük süresi daha büyük olması gereklidir.
    1. Bu denemede, 10 ns olarak tesadüf zaman penceresi seçin. Zaman penceresinin alanını tümleştirerek tesadüf sayılarını tahmin edin.

4. Sadakat ve Çan parametrelerinin tahmin prosedürü

  1. Polarize ikinci dereceden Equation 21 korelasyonları ve çapraz kutuplaşmış Equation 22 ikinci Equation 23 sıra bağıntılarını belirleyin, burada kutuplaşma durumları H, D ve R'yi ifade eder ve Equation 24 v, a ve l. Bu ları elde edin ölçülen tesadüf sayılarını Equation 25 arka plan düzeyine Equation 26 bölerek fonksiyonlar . Şekil 4, 30'lu yıllar için çeşitli polarizasyon tabanları ile tesadüf sayımlarının gerçekte ölçülen darbe yüksekliği dağılımını göstermektedir.
    NOT: Örneğin, tesadüf kutuplaşma tabanı HH Equation 27 ile sayar tesadüf penceresi 10 ns için count/30 s verir. Tesadüf penceresi için ortalama arka zemin seviyesi 4.3 count/30 s olarak hesaplanır. İkinci dereceden korelasyonlar Equation 28 tarafından verildiğinden , polarizasyon baz HH ile Equation 29 polarize ikinci dereceden korelasyon fonksiyonları olur. Benzer şekilde diğer polarizasyon bazları ile ikinci dereceden korelasyon fonksiyonları şu şekilde Equation 30 verilmiştir: ve Equation 31 çapraz polarize ikinci dereceden korelasyon fonksiyonları: Equation 32 ve Equation 33 .
  2. 20,21ile tanımlanan üç polarizasyon bazları için iki foton arasındaki polarizasyon korelasyon derecesini belirlemek :
    Equation 34(7)
    burada Equation 35 dikdörtgen (H ve V), diyagonal (D ve A) ve dairesel (R ve L) bazlarının polarizasyon tabanlarını ifade eder. Ölçülen ikinci dereceden korelasyon fonksiyonları her kutuplaşma bazlarının Equation 36 derecesini aşağıdaki gibi verir: ve Equation 37 .
  3. Oluşturulan dolaşık fotonların sadakatini belirleyin. Üç tabanında devlet (6)20,21ile ilgili kutuplaşma-dolaşmış devletin sadakatini hesaplamak :
    Equation 38
    Kutuplaşma korelasyonölçülen dereceoldu Equation 39 . Bu sayı 0.50 klasik polarizasyon korelasyon sınırını aştı.
  4. Oluşturulan dolaşık fotonların Çan parametrelerini belirleyin21. Polarizasyon bağıntılarından parametreleri aşağıdaki gibi hesaplayın 19,20:
    Equation 40
    Equation 41
    Equation 42
    Polarizasyon korelasyonunun ölçülen Equation 43 bazları . Bu sayılar klasik parametre limitini 2'yi aşar ve Bell eşitsizliğini ihlal eşar.

Representative Results

Oluşturulan foton çiftlerinin polarizasyon korelasyonunu deneysel sadakati tahmin etmek için birden fazla kuantum paraziti ve algılama şemalarına dayalı kutuplaşma durumları için koşulsuz dolaşmış fotonlar oluşturmak için optik sistem tartışıldı. Oluşturulan fotonların tahmini sadakati 0.50 klasik yerel korelasyon sınırını aştı. Ölçülen Bell parametreleri klasik parametre limitini aşmış ve Bell eşitsizliğini ihlal etmiş. Bu yazıda, bu parametreleri değerlendirmek için en az altı polarizasyon baz kombinasyonundan elde edilen tesadüf ölçümleri kullanılmıştır. Ayrıca, oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonların yoğunluk matrisini kuantum durum tomografisi ile tamamen yeniden oluşturmak mümkündür, bu da polarizasyon bazlarının 16 kombinasyonunun tesadüf ölçümleri gerektirir18.

Figure 1
Şekil 1 : Entegre çift geçişli polarizasyon Sagnac interferometre şeması. (a)İlk spontan parametrik aşağı dönüşümden (SPDC) sonra foton çiftleri üretimi. (b) Foton çiftlerinin yarım dalga plakası (HWP1) ile polarizasyon dönüşü. (c) İkinci SPDC'den sonra foton çiftleri üretimi. (d) HWP2 ile birinci ve ikinci SPDC foton çiftleri arasındaki kuantum paraziti. (e) Saat yönünde (CW) yönde üretilen çıkış foton çiftleri. (f) Saat yönünün tersine (CCW) yönde üretilen çıkış foton çiftleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2:Koşulsuz polarizasyon adabı üreten genel optik sistem. İlk yarım dalga plakası (HWP) ve çeyrek dalga plakası (QWP) polarizasyon koruyan optik fiber (PMF) geçen pompa lazerpolarizasyon durumunu ayarlamak için kullanılır. Çıkış fotonları lensler, QWP'ler, polarizörler (POLs) ve girişim filtreleri (IF) modları 1 ve 2 geçirilir ve tek foton sayma modülleri (SPCM) tarafından tespit edilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3 : Oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonlar için genel tesadüf algılama sistemi. SPCM'den gelen elektrik sinyalleri, zaman-genlik dönüştürücüsünün (TAC) sinyalini elektriksel bir gecikme hattı (Gecikme) aracılığıyla başlatmak ve durdurmak için kullanıldı. Zaman farkı elde edilen darbe yüksekliği dağılımı bilgisayar kontrollü (PC) çok kanallı analizör (MCA) ile analiz edildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4 : Paralel ve ortogonal polarize ayarları ile ölçülen zaman farkı dağılımları. Kombinasyonlar yatay (H), dikey (V), diyagonal (D), anti-diyagonal (A), sağ dairesel (R) ve sol dairesel (L) polarizasyon tabanlarıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Protokol içindeki kritik adım, oluşturulan kutuplaşma dolaşmış fotonların sadakatini nasıl en üst düzeye çıkarılabilmektir. Tahmini sadakat ve Bell parametreleri şu anda sınırlıdır, çünkü biz oluşturulan dolaşmış fotonları toplamak için çok modlu lifler kullanılır. HWP1'in eğimi, birinci ve ikinci SPDC'nin fotonları arasındaki uzamsal modların yükseklik farkını etkiledi ve Sagnac interferometrenin çıkışında uzamsal mod uyuşmazlığı yarattı. Oluşturulan birinci ve ikinci SPDC fotonlarının uzamsal mod-çakışan alanını filtreleyen tek modlu lifler kullanırken doğruluğun daha yüksek olması beklenir. Ayrıca, ppKTP kristalinin birefringence etkisi birinci ve ikinci SPDC fotonlar arasındaki mod uyuşmazlığı etkiledi. Gelecekte, muhtemelen ek kompanzasyon kristalleri kullanarak parametreleri artırabilir.

Protokolün önemi, varolan yönteme göre aynı anda çeşitli özellikleri gerçekleştirmektir. Protokol ile kutuplaşma dolaşmış fotonların kaynağı yüksek emisyon oranına sahiptir, dejenere dir, geniş bant dağılımına sahiptir ve seçim sonrası ücretsizdir. Protokolün karakteristik avantajı, çift geçişli polarizasyon Sagnac interferometresi kullanılarak çoklu kuantum girişimine dayanır. Fotonik sistem, polarizasyon dolaşmış fotonların büyük nesil verimliliğini kullanmayı ve dejenere foton çiftlerini postselection şartı olmadan farklı optik modlara ayırmayı mümkün kılar. Yüksek performanslı polarizasyon dolaşık fotonsistemi yeni fotonik kuantum bilgi teknolojileri1,2,3,4için uygulanabilir.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu araştırma Opto-Bilim ve Teknoloji Araştırma Vakfı, Japonya tarafından desteklenmiştir. Faydalı tartışmalar için Dr. Tomo Osada'ya teşekkür ederiz.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
300mm fous lens Thorlabs. INC. AC254-300-B
405nm LD Digi-Key Electronics NV4V31SF-A-ND
Delay line Ortec INC. DB463
Dichroic mirror (DM) Midwest Optical Systems INC. SP650-25.4
Half-wave plate (HWP) for 405nm Thorlabs. INC. WPH05M-405
Half-wave plate (HWP) for dual wavelengths Meadowlark Co. DHHM-100-0405/0810?
Interference filter (IF) IDEX Health & Science, LLC LL01-808-12.5
Multi-channel analyzer (MCA) Ortec INC. EASY-MCA-2K MAESTRO-32 software
Polarization-maintaining fiber Thorlabs. INC. P1-405BPM-FC-1
Polarizer (POL) Meadowlark Co. G335743000
ppKTP crystal RAICOL CRYSTAL LTD. Type-0, 3.425 microns period
Quarter-wave plate (QWP) for 808nm Thorlabs. INC. WPQ05M-808
Quarter-wave plate (QWP) for 405nm Thorlabs. INC. WPQ05M-405
Retroreflector Newport Co. U-BER 1-1S
Single photon counting Module (SPCM) Laser Cpmponents LTD. Count -100C-FC FC connecting
Time-to-amplitude converter (TAC) Ortec INC. 567

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ekert, A. K., et al. Quantum cryptography based on Bell's theorem. Physical Review Letters. 67, 661-663 (1991).
  2. Mattle, K., Weinfurter, H., Kwiat, P. G., Zeilinger, A. dense coding in experimental quantum communication. Physical Review Letters. 76, 4656-4659 (1996).
  3. Pan, J. W., Bouwmeester, D., Weinfurter, H., Zeilinger, A. experimental entanglement swapping: entangling photons that never interacted. Physical Review Letters. 80, 3891-3894 (1998).
  4. Bouwmeester, D., et al. Experimental quantum teleportation. Nature. 390, 575-579 (1997).
  5. Armstrong, D. J., Alford, W. J., Raymond, T. D., Smith, A. V. Absolute measurement of the effective nonlinearities of KTP and BBO crystals by optical parametric amplification. Applied Optics. 35, 2032-2040 (1996).
  6. Shi, B. S., Tomita, A. Generation of a pulsed polarization entangled photon pair using a Sagnac interferometer. Physical Review A. 69, 013803 (2004).
  7. Kim, T., Fiorentino, M., Wong, F. N. C. Phase-stable source of polarization-entangled photons using a polarization Sagnac interferometer. Physical Review A. 73, 012316 (2006).
  8. Steinlechner, F., et al. Efficient heralding of polarization-entangled photons from type-0 and type-II spontaneous parametric downconversion in periodically poled KTiOPO4. Journal of the Optical Society of America B. 31, 2068 (2014).
  9. Steinlechner, F., et al. Phase-stable source of polarization-entangled photons in a linear double-pass configuration. Optics Express. 21, 11943-11951 (2013).
  10. Okano, M., et al. 0.54 resolution two-photon interference with dispersion cancellation for quantum optical coherence tomography. Scientific Reports. 5, 18042 (2015).
  11. Dayan, B., Pe'er, A., Friesem, A. A., Silberberg, Y. Nonlinear interactions with an ultrahigh flux of broadband entangled photons. Physical Review Letters. 94, 043602 (2005).
  12. Nasr, M. B., et al. Ultrabroadband biphotons generated via chirped quasi-phase-matched optical parametric down-conversion. Physical Review Letters. 100, 183601 (2008).
  13. Giovannetti, V., Lloyd, S., Maccone, L., Wong, F. N. C. Clock synchronization with dispersion cancellation. Physical Review Letters. 87, 117902 (2001).
  14. Hofmann, H. F., Ren, C. Direct observation of temporal coherence by weak projective measurements of photon arrival time. Physical Review Letters A. 87, 062109 (2013).
  15. Mikhailova, Y. M., Volkov, P. A., Fedorov, M. V. Biphoton wave packets in parametric down-conversion: Spectral and temporal structure and degree of entanglement. Physical Review A. 78, 062327 (2008).
  16. Jabir, M. V., Samanta, G. K. Robust, high brightness, degenerate entangled photon source at room temperature. Scientific Reports. 7, 12613 (2017).
  17. Terashima, H., Kobayashi, S., Tsubakiyama, T., Sanaka, K. Quantum interferometric generation of polarization entangled photons. Scientific Reports. 8, 15733 (2018).
  18. Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., Kwiat, P. G. Photonic state tomography. Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics. 52, 105-159 (2005).
  19. Hong, C. K., Ou, Z. Y., Mandel, L. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference. Physical Review Letters. 59, 2044-2046 (1987).
  20. Hudson, A. J., et al. Coherence of an Entangled Exciton-Photon State. Physical Review Letters. 99, 266802 (2007).
  21. Young, R. J., et al. Bell-Inequality Violation with a Triggered Photon-Pair Source. Physical Review Letters. , 102 (2009).

Tags

Mühendislik Sayı 151 Polarizasyon-dolaşık fotonlar parametrik aşağı dönüşüm tip-0 tip-II kuantum girişim Sagnac interferometre gidiş-dönüş yapılandırma
Çoklu Kuantum Girişimine Dayalı Koşulsuz Polarizasyon-Dolaşık FotonLar Üretmek için Fotonik Sistem
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Terashima, H., Sato, Y., Kobayashi,… More

Terashima, H., Sato, Y., Kobayashi, S., Tsubakiyama, T., Nozaki, R., Kubo, S., Osada, T., Sanaka, K. A Photonic System for Generating Unconditional Polarization-Entangled Photons Based on Multiple Quantum Interference. J. Vis. Exp. (151), e59705, doi:10.3791/59705 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter