本文介绍了一种利用集成微腔和标准电信组件分别实现高维频率箱纠缠光子态的实用化产生与相干操控的实验方案。
本文内容
摘要
摘要
我们介绍一种用于产生和相干操控脉冲量子频率梳的方法。迄今为止，由于制备和处理高维量子态所需的量子电路复杂性不断增加，如何以实用方式在芯片上制备高维量子态仍是一个难题。本文阐述了如何利用嵌套腔、主动锁模激发非线性微腔，以稳定且高产率的方式生成高维、频率模式纠缠的双光子态。该技术可用于产生脉冲量子频率梳。此外，我们展示了如何使用标准的电信器件（如可编程滤波器和电光调制器）对量子态进行相干操控。特别地，我们详细说明了如何完成量子态表征测量，包括密度矩阵重构、符合计数检测以及单光子谱测定。所提出的方法为在频域中实现复杂高维量子态的制备与操控协议提供了易于实现、可重构且可扩展的基础。
引言
对量子现象的控制为安全量子通信1、强大的量子信息处理2以及量子传感3等多样化领域的新型应用开辟了可能性。尽管目前有多种物理平台正在被积极研究以实现量子技术4，光学量子态仍是重要的候选体系，因其可展现出较长的相干时间、对外部噪声的良好稳定性、优异的传输特性，以及与现有通信技术和硅基芯片（CMOS）技术的兼容性。
为了充分实现光子在量子技术中的潜力，可以通过使用多个纠缠粒子和/或高维系统来提高量子态的复杂性和信息容量。然而，片上生成此类光学态缺乏实用性，因为现有装置结构复杂、难以完全扩展，和/或依赖高度专业化的组件。具体而言，高维路径纠缠需要 
个相干激发的相同光源以及复杂的分束器电路5（其中 为态的维度）....
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方案
1. 通过脉冲激发产生高维频率-模式纠缠态
- 遵循下述方案进行 图2 （生成阶段），使用保偏光纤（以提高环境稳定性）连接各个组件。
- 将电源连接至电光幅度调制器，并施加直流电压偏置，调节偏置电压值，直至通过调制器的光功率降至约一半（使用光功率计测量）。 例如，使得峰值透射值从 2 mW 降低至 1 mW。
- 测量外部腔体的大致长度。利用以下关系式计算外部腔体的模式间隔，
其中
是外腔模式间隔， c 是真空中的光速， 
是腔体介质的有效折射率，且 L 是外部腔体长度。例如，对于由有效折射率为1.46的光纤构成的20 m腔体，其....
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结果
用于生成和调控高维频率模式态的方案（基于非线性微腔激发，图1）如图2所示。该装置采用标准的通信器件，在光子产生速率和所施加的处理操作方面具有高度灵活性。图3展示了通过符合计数率和符合关联比（CAR）随重复频率变化对产生方案进行的表征，结果表明光子对的产生率可在不降低CAR的情况下提高。在调控部分，可编程滤波器和相位调制器（图4A）实现了对光子波函数的相干调控。该调控方案被用于对
双光子系统进行量子态层析，以重构其态密度矩阵，如图4B所示。实验结果表明测量态与最大纠缠态之间具有极好的一致性，所实现的保真度达到80.9%。
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讨论
通过频率梳（QFCs）实现的光频域操作在量子应用中具有诸多优势。其操作具有全局性，可同时作用于所有量子态，因而当态的维度增加时，系统设计在尺寸和复杂性上均无需相应扩展。此外，系统组件可动态实时重构，无需更改实验装置，并且能够利用现有或正在发展的半导体与通信基础设施实现片上集成，进一步提升了其优势。该生成技术还可推广应用于其他光学微腔系统，例如二阶非线性微腔。28微盘29光子晶体波导30,31, 等等.
激发方案的进展将为实现量子信息处理应用所必需的高产率铺平道路。尽管我们所采用的产生方案可通过在更高谐波频率下进行锁模来提高产率，但在更高重复频率下，超模噪声可能导致系统不稳定。该噪声可通过腔长调制32,33、非线性补偿
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致谢
感谢 R. Helsten 提供的技术指导；感谢 QPS Photronics 公司的 P. Kung 提供的帮助和加工设备；同时感谢 QuantumOpus 公司以及 OptoElectronics Components 公司的 N. Bertone 提供的支持和先进的光子探测设备。本研究工作得到了以下资助项目的支持：加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）（Steacie 奖、战略项目资助、发现资助、加速资助计划、加拿大范梅尔研究生奖学金、USRA 奖学金）；Mitacs（IT06530）和 PBEEE（207748）；魁北克省经济与创新部 PSR-SIIRI 计划；加拿大研究主席计划；澳大利亚研究理事会发现项目（DP150104327）；欧盟“地平线2020”研究与创新计划下玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里资助项目（656607）；香港城市大学 SRG-Fd 计划（7004189）；中国科学院战略性先导科技专项（XDB24030300）；欧盟第七框架计划（FP7）人才计划（玛丽·居里行动）下 REA 资助协议 INCIPIT（PIOF-GA-2013-625466）；俄罗斯联邦政府通过 ITMO 青年学者与教授计划（Grant 074-U 01）；中国四川省“千人计划”项目
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 超导纳米线单光子探测器系统 | Quantum Opus | Opus One | |
| 电光相位调制器 | EO-Space | 低损耗型号 | |
| 可编程滤波器 | Finisar | WaveShaper 4000s | |
| 时间电子学设备 | PicoQuant | HydraHarp 400 | |
| 微环谐振器 | 由高折射率玻璃制成的200 GHz自由光谱范围（FSR）微环谐振器。平台详细信息见参考文献 24。 | ||
| 掺铒光纤放大器 | Keopsys | PEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA | |
| 电光幅度调制器 | Oclaro | SD40 | |
| 射频信号源 | Rohde & Schwarz | SMP 04 | |
| 射频信号放大器 | RF-Lambda | RFLUPA27G34GA | |
| 函数发生器 | Tetronix | AFG 3251 | |
| 光隔离器 | General Photonics | NISO-S-15-SS-FC/APF | |
| 示波器 | Tetronix | TDS5052B | |
| 光电二极管 | Finisar | XPDV 50 GHz | |
| 密集波分复用器（DWDM） | OptiWorks | DWFUQUMD08BN | |
| 电源 | Madell | CA18303D |
参考文献
- Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
- Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
- Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y.
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