Generation und kohärente Steuerung der gepulsten Quantum Frequenzkämmen

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, gepulste Quantenfrequenzkämme zu erzeugen und kohärent zu steuern, die für die Quanteninformationsverarbeitung verwendet werden können. Diese Methode kann uns helfen, die Werkzeuge für grundlegende Untersuchungen der Quantenmechanik und für die Realisierung nicht-klassischer Technologien wie Quantenkommunikation und Informationsverarbeitung bereitzustellen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass etablierte Telekommunikationskomponenten und -protokolle verwendet werden, um komplexe optische Quantenzustände auf rekonfigurierbare und skalierbare Weise zu erzeugen und zu steuern.

Wir kamen auf diese Idee, als wir mit meinem Kollegen Jose Azana sprachen, der Experte für Telekommunikationsverarbeitung ist, und wir erkannten, dass wir diese Werkzeuge auf die Welt der Quantenobjekte übertragen können. Richten Sie die Komponenten des Systems auf einem optischen Tisch ein. Das System verfügt über Phasen für die Erzeugung, Steuerung und Verarbeitung.

Diese Darstellung gibt einen Überblick. Alle Elemente sind mit Polarisation verbunden, wobei die optische Faser erhalten bleibt. Konzentrieren Sie sich vorerst auf die Erzeugungsphase.

Dieser Tisch verfügt über einen On-Chip-Mikroring-Resonator, der in einen größeren externen Hohlraum eingebettet ist. Der externe Hohlraum besteht aus einem elektrooptischen Amplitudenmodulator, der von einem Signalgenerator angetrieben wird, einem Isolator und einem Erbium-dotierten Faserverstärker, der eine optische Verstärkung bietet. Es gibt einen schmalen Filter mit einem Durchlassband, der eine einzelne Mikrokavitätenresonanz auswählt, und einen Kerbfilter, der die erzeugten Photonen zur Steuersektion leitet.

Wenn der Hohlraum getrennt ist, initiieren Sie den Erbium-dotierten Faserverstärker. Verwenden Sie nach dem Amplitudenmodulator einen optischen Leistungsmesser, um die übertragene Leistung zu messen. Verwenden Sie am Modulator ein Netzteil, um einen DC-Offset anzulegen, um die übertragene Leistung zu erhalten.

Schließen Sie den Hohlraum wieder an und setzen Sie eine schnelle Fotodiode in einen anderen Ringanschluss ein. Verwenden Sie ein Oszilloskop, um sein Signal im Zeitbereich zu beobachten. Wenn der Modulator nicht aktiviert ist, zeigt der Ausgang einen instabilen Impulsbetrieb mit einer minderwertigen Impulsfolge.

Kehren Sie zum Amplitudenmodulator zurück und schließen Sie den Funktionsgenerator an. Stellen Sie die Ausgangsfrequenz des Generators auf ein Vielfaches des ungefähren Abstands der externen Kavitätenmode ein. Wählen Sie eine rechteckige oder Sinus-Wellenform aus und schalten Sie den Funktionsgenerator ein.

Stimmen Sie die Frequenz des Funktionsgenerators und den DC-Offset ab, um die Impulsfolge am Oszilloskop zu optimieren und zu stabilisieren. Stellen Sie die Verstärkung manuell ein, um die Impulsintensität einzustellen. Der nichtlineare Vier-Wellen-Mischprozess im Ringresonator erzeugt nun Signal- und Leerlaufphotonenpaare, die den externen Hohlraum am Kerbfilter verlassen.

Verbinden Sie das Synchronisationssignal vom Funktionsgenerator mit der Zeitschaltelektronik. Die Erzeugungsrate dieses gepulsten Quantenfrequenzkamms kann erhöht werden, indem der Modulator eine höhere Harmonischkeit des externen Resonatorfrequenzabstands antreibt und somit in eine harmonische Sperrmaschine eintritt. Die Verstärkung des Verstärkers muss dann ebenfalls erhöht werden, um die gleiche Leistung pro Impuls zu gewährleisten.

Nach dem Kerbfilter in der Erzeugungsstufe gelangen die verschränkten Photonen in die Kontrollstufe. Dort treffen sie der Reihe nach auf ein programmierbares Filter, einen Phasenmodulator und ein zweites programmierbares Filter. Programmieren Sie zunächst die Filter.

Stellen Sie die Amplitude der gewünschten Frequenzmoduskanäle ein und dämpfen Sie die anderen. Entscheiden Sie sich auf ähnliche Weise für die gewünschte Phasenmaske. Tun Sie dies für jeden Filter.

Dieses Bild stellt die Amplitude und Phase für eine Koinzidenzmessung dar. Um den Phasenmodulator vorzubereiten, schließen Sie den Signalgenerator mit verlustarmen Kabeln an den HF-Verstärker an. Verbinden Sie dann den HF-Verstärker mit dem Phasenmodulator.

Sobald alle HF-Enden angeschlossen und abgeschlossen sind, spannen Sie den Verstärker vor. Stellen Sie den HF-Signalgenerator so ein, dass Seitenbänder erstellt werden, die sich mit den gewünschten Frequenzmodi überlappen, und schalten Sie ihn dann ein. Richten Sie das System testweise so ein, dass ein kontinuierlicher Laserstrahl durch den Phasenmodulator geschickt wird.

Verwenden Sie einen optischen Spektrumanalysator, um zu überprüfen, ob das Eingangsspektrum ein Ausgangsspektrum erzeugt, das der für das Experiment beabsichtigten Modulation entspricht. Um fortzufahren, verbinden Sie den Phasenmodulator mit den programmierbaren Filtern. Bei der Einstellung des Phasenmodulationsmusters ist es wichtig zu bestimmen, welches Muster die Zielfrequenz-Seitenbänder für den gewählten Vorgang erzeugt.

Dies hängt von der Dimension des verwendeten Quantenzustands und vom Resonanzabstand der Mikrokavität ab. Die Photonenpaare aus der Erzeugungsstufe gelangen in die Kontrollstufe. Der erste Filter stellt die programmierte Amplitude und Phase ein.

Als nächstes erstellt der Phasenmodulator die notwendigen Frequenzseitenbänder. Der zweite Filter wählt das Signal- und Leerlaufpaar aus. Trennen Sie die verschränkten Photonen bei der Eingabe in die Verarbeitungsstufe mit einem Multiplexer mit dichter Wellenlängenteilung.

Von dort aus gelangen sie jeweils zu Einzelphotonendetektoren. Zeichnen Sie die Ankunftszeit jedes Photons mit Hilfe einer Zeitsteuerung auf, die für die Koinzidenzmessung eingerichtet ist. Der Aufbau ermöglicht eine kohärente Kontrolle über die Photonenzustände.

Hier werden Frequenzseitenbänder über Phasenmodulation erzeugt. Der Seitenbandabstand und die Amplituden werden durch das Modulationssignal bestimmt. Die kohärente Kontrolle des Photonenzustands kann für die Quantenzustandstomographie genutzt werden.

Dies ist eine beispielhafte Rekonstruktion der Zustandsdichtematrix für ein Zwei-Photonen-System mit einer Dimensionalität von drei für jedes Photon. Die Genauigkeit zwischen dem gemessenen und dem maximal verschränkten Zustand beträgt etwa 81 %Die Technik zur Erzeugung gepulster hoher Wiederholraten ist nicht auf Mikroringresonatoren beschränkt und kann auch für andere optische Resonatoren wie photonische Kristallwellenleiter, Mikroplatten und nichtlineare Resonatoren zweiter Ordnung eingesetzt werden. Mit ihrer Entwicklung kombiniert die Plattform etablierte Techniken in der Telekommunikation mit Quantentechnologien zu potenziellen Anwendungen, wie z.B. sicherer Kommunikation mit hohen Raten über Multiplexkanäle oder hochdimensionalen Quantenoperationen.