Generación y Control coherente de peines de frecuencia pulsada Quantum

El objetivo general de este protocolo es generar y controlar coherentemente peines de frecuencia cuántica pulsada que puedan utilizarse para el procesamiento de información cuántica. Este método puede ayudarnos a proporcionar las herramientas para las investigaciones fundamentales de la mecánica cuántica y para la realización de tecnologías no clásicas, como las comunicaciones cuánticas y el procesamiento de la información. La principal ventaja de esta técnica es que se utilizan componentes y protocolos de telecomunicaciones bien establecidos para generar y controlar estados cuánticos ópticos complejos de forma reconfigurable y escalable.

Esta idea la tuvimos cuando hablamos con mi compañero José Azaña, que es experto en procesamiento de telecomunicaciones, y nos dimos cuenta de que podíamos trasladar estas herramientas al mundo de los objetos cuánticos. Coloque los componentes del sistema en una mesa óptica. El sistema tiene etapas para la generación, el control y el procesamiento.

Esta representación proporciona una visión general. Todos los elementos están conectados con polarización manteniendo la fibra óptica. Por ahora, concéntrese en la etapa de generación.

Esta etapa cuenta con un resonador de microanillo en chip incrustado en una cavidad externa más grande. La cavidad externa está formada por un modulador de amplitud electroóptico accionado por un generador de señales, un aislador y un amplificador de fibra dopada con erbio que proporciona ganancia óptica. Hay un filtro estrecho con una banda de paso que selecciona una sola resonancia de microcavidad y un filtro de muesca que dirige los fotones generados a la sección de control.

Con la cavidad desconectada, inicie el amplificador de fibra dopada con erbio. Utilice un medidor de potencia óptica después del modulador de amplitud para medir la potencia transmitida. En el modulador, use una fuente de alimentación para aplicar un desplazamiento de CC para tener la potencia transmitida.

Vuelva a conectar la cavidad e inserte un fotodiodo rápido en un puerto de anillo diferente. Utilice un osciloscopio para observar su señal en el dominio del tiempo. Sin el modulador activado, la salida mostrará un funcionamiento de pulso inestable con un tren de pulsos de baja calidad.

Regrese al modulador de amplitud y conecte el generador de funciones. Ajuste la frecuencia de salida del generador a un múltiplo del espaciado aproximado del modo de cavidad externa. Seleccione una forma de onda rectangular o sinusoidal y encienda el generador de funciones.

Ajuste la frecuencia del generador de funciones y el desplazamiento de CC para optimizar y estabilizar el tren de pulsos en el osciloscopio. Ajuste manualmente la ganancia para establecer la intensidad del pulso. El proceso de mezcla no lineal de cuatro ondas dentro del resonador de anillo ahora crea pares de fotones de señal y rojilla que saldrán de la cavidad externa en el filtro de muesca.

Conecte la señal de sincronización del generador de funciones a la electrónica de temporización. La tasa de generación de este peine de frecuencia cuántica pulsada se puede aumentar conduciendo el modulador a armónicos más altos del espaciado de frecuencia de la cavidad externa, ingresando así a una máquina de bloqueo de modo armónico. A continuación, también se debe aumentar la ganancia del amplificador para garantizar la misma potencia por pulso.

Después del filtro de muesca en la etapa de generación, los fotones entrelazados ingresan a la etapa de control. Allí, en orden, se encuentran con un filtro programable, un modulador de fase y un segundo filtro programable. Primero, programa los filtros.

Ajuste la amplitud de los canales del modo de frecuencia deseado y atenúe los demás. Del mismo modo, decida la máscara de fase deseada. Haga esto para cada filtro.

Esta imagen representa la amplitud y la fase para una medición de coincidencia. Para preparar el modulador de fase, conecte el generador de señal al amplificador de RF con cables de baja pérdida. A continuación, conecte el amplificador de RF al modulador de fase.

Una vez que todos los extremos de RF estén conectados y terminados, sesboce el amplificador. Configure el generador de señales de RF para crear bandas laterales que se superpongan con los modos de frecuencia deseados, luego actívelo. Como prueba, configure el sistema para enviar un rayo láser de onda continua a través del modulador de fase.

Utilice un analizador de espectro óptico para comprobar que el espectro de entrada produce un espectro de salida que corresponde a la modulación prevista para el experimento. Para continuar, conecte el modulador de fase con los filtros programables. Al establecer el patrón de modulación de fase, es importante determinar qué patrón creará las bandas laterales de frecuencia objetivo para la operación elegida.

Esto dependerá de la dimensión del estado cuántico utilizado y del espaciamiento de la resonancia de las microcavidades. Los pares de fotones de la etapa de generación entran en la etapa de control. El primer filtro establece la amplitud y la fase programadas.

A continuación, el modulador de fase crea las bandas laterales de frecuencia necesarias. El segundo filtro selecciona el par de señal y polea. En la entrada a la etapa de procesamiento, separe los fotones entrelazados con un multiplexor de división de longitud de onda densa.

A partir de ahí, cada uno pasa a detectores de fotón único. Registre el tiempo de llegada de cada fotón utilizando la electrónica de temporización configurada para la medición de coincidencias. La configuración permite un control coherente sobre los estados de los fotones.

En este caso, las bandas laterales de frecuencia se generan mediante modulación de fase. El espaciado y las amplitudes de las bandas laterales están determinados por la señal de modulación. El control coherente del estado del fotón se puede utilizar para la tomografía de estado cuántico.

Este es un ejemplo de reconstrucción de la matriz de densidad de estados para un sistema de dos fotones con una dimensionalidad de tres para cada fotón. La fidelidad entre los estados medidos y entrelazados máximos es de aproximadamente el 81%La técnica de generación de alta tasa de repetición pulsada no se limita a los resonadores de microanillos y puede adoptarse para otras cavidades ópticas, como guías de ondas de cristal fotónico, microdiscos y cavidades no lineales de segundo orden. Con su desarrollo, la plataforma combina técnicas establecidas en telecomunicaciones con tecnologías cuánticas hacia aplicaciones potenciales, como comunicaciones seguras a altas velocidades a través de canales multiplexados u operaciones cuánticas de alta dimensión.