脉冲量子频率梳的产生与相干调控

本实验方案的总体目标是生成并相干地控制可用于量子信息处理的脉冲量子频率梳。该方法可为我们提供研究量子力学基本问题的工具，并推动实现量子通信和信息处理等非经典技术。该技术的主要优势在于，利用成熟可靠的通信器件和协议，以可重构且可扩展的方式生成并控制复杂的光学量子态。

当我们与我的同事、通信处理专家Jose Azana讨论时，产生了这一想法，我们意识到可以将这些工具应用于量子物体领域。在光学平台上搭建系统的各个组件。该系统包含生成、控制和处理三个阶段。

该示意图提供了整体概览。所有元件均通过保偏光纤连接。目前，请重点关注产生阶段。

该阶段采用一个嵌入较大外部腔体的片上微环谐振器。外部腔体由信号发生器驱动的电光幅度调制器、一个隔离器以及提供光增益的掺铒光纤放大器构成。系统中包含一个通带狭窄的滤波器，用于选择单个微腔共振模式，以及一个陷波滤波器，用于将产生的光子引导至控制部分。

断开腔体连接后，启动掺铒光纤放大器。在幅度调制器后使用光功率计测量透射功率。在调制器处，使用电源施加直流偏置以获得透射功率。

重新连接谐振腔，并将一个快速光电二极管插入另一个环形端口。使用示波器在时域中观察其信号。在未激活调制器的情况下，输出将显示出不稳定的脉冲运行状态，且脉冲序列质量较低。

返回幅度调制器并连接函数发生器。将发生器的输出频率设置为近似外腔模式间隔的整数倍。选择矩形波或正弦波形，然后打开函数发生器。

调节函数发生器的频率和直流偏置，以在示波器上优化并稳定脉冲序列。手动调节增益以设定脉冲强度。此时，环形谐振腔内的非线性四波混频过程将产生信号光子与闲频光子对，这些光子对将通过陷波滤波器离开外部谐振腔。

将函数发生器的同步信号连接到时序电子设备。通过驱动调制器以谐波倍数于外腔频率间隔的高次谐波，可提高该脉冲量子频率梳的产生速率，从而进入谐波锁模状态。此时还必须相应提高放大器增益，以确保每个脉冲的功率保持不变。

在产生阶段的陷波滤波器之后，纠缠光子进入控制阶段。在此，它们依次经过一个可编程滤波器、一个相位调制器和第二个可编程滤波器。首先，对滤波器进行编程。

设置所需频率模式通道的振幅，并衰减其他通道。同样，确定所需的相位掩模。对每个滤波器执行此操作。

此图像表示符合测量的幅度和相位。准备相位调制器时，使用低损耗电缆将信号发生器连接至射频放大器，然后将射频放大器连接至相位调制器。

当所有射频端口均连接并端接后，为放大器施加偏置。将射频信号发生器设置为产生与目标频率模式重叠的边带，然后开启信号发生器。作为测试，可搭建系统，使连续波激光束通过相位调制器传输。

使用光谱分析仪检查输入光谱是否产生与实验预期调制相对应的输出光谱。继续操作时，将相位调制器与可编程滤波器连接。在设置相位调制模式时，重要的是确定何种模式可为所选操作生成目标频率边带。

这取决于所用量子态的维度以及微腔共振间距。产生阶段产生的光子对进入控制阶段。第一个滤波器设定编程的振幅和相位。

接下来，相位调制器产生必要的频率边带。第二个滤波器选择信号光和闲置光光子对。在输入到处理阶段时，使用密集波分复用器将纠缠光子分离开。

随后，每个光子进入单光子探测器。使用配置为符合测量的定时电子设备记录每个光子的到达时间。该装置可对光子态实现相干控制。

此处通过相位调制产生频率边带。边带间距和幅度由调制信号决定。对光子态的相干控制可用于量子态层析。

这是一个两光子系统的态密度矩阵的示例重构，每个光子的维度为三。测量态与最大纠缠态之间的保真度约为81%。脉冲高重复率产生技术不仅限于微环谐振器，也可应用于其他光学腔体，例如光子晶体波导、微盘腔以及二阶非线性腔体。随着该技术的发展，该平台将通信领域成熟的技术与量子技术相结合，有望实现诸如在多路复用信道上进行高速安全通信或高维量子操作等应用。