Un sistema fotónico para generar fotones enredados de polarización incondicional basados en interferencias cuánticas múltiples

Presentamos un sistema fotónico de alto rendimiento que aprovecha el efecto de interferencia cuántica múltiple para producir fotones libres de polarización, degenerados y post-selección a la alta tasa de emisión con una gran distribución de banda ancha. Nuestro enfoque utiliza un proceso de interferencia múltiple inversa Hong-Ou-Mandel para producir fotones enredados por polarización con una eficiencia de alta generación y una separación confiable de pares de fotones degenerados en diferentes modos ópticos sin post-selección. Para empezar, encienda un diodo láser y ajuste la potencia a unos pocos milivatios.

Por favor, una rejilla holográfica en un ángulo de aproximadamente 45 grados con respecto a la superficie del diodo láser, y ajuste el ángulo hasta que la intensidad del haz parezca maximizarse. A continuación, acoplar el láser a una fibra óptica que mantiene la polarización. Dirija la fibra a un medidor de potencia y ajuste los tornillos del acoplador para maximizar la potencia de salida.

Dirija el láser a través de un aislador de espacio libre. A continuación, coloque una placa de media onda y una placa de un cuarto de onda para una luz de 405 nanómetros en el camino del haz. Ajuste los ángulos de la placa para lograr el estado de polarización de haz deseado.

A continuación, coloque un espejo dicroico de paso corto y un cubo divisor de haz polarizador en el camino de la viga. Utilice un espejo regular para dirigir el haz polarizado s reflejado paralelo al haz polarizado p transmitido. Coloque un cristal ppKTP tipo cero en una plataforma de temperatura controlada, montada en la trayectoria de la viga.

Ajuste la plataforma hasta que las vigas divididas pasen a través del cristal. A continuación, ajuste el divisor de viga y los espejos hasta que las vigas polarizadas s y p sean paralelas durante unos metros. Utilice tanto el láser de bomba de 405 nanómetros como un láser de referencia de 810 nanómetros para este ajuste.

A continuación, monte una placa de media onda de doble onda a cada lado del cristal ppKTP, perpendicular a la luz incidente. La placa de media onda entre el divisor de haz y el cristal se ha ajustado a 22,5 grados y la otra placa a 45 grados de antelación. A continuación, coloque un retrorreflector al final de la configuración para dirigir las vigas convertidas hacia abajo de nuevo a través del cristal ppKTP y la placa de media onda de 22,5 grados.

Coloque la placa de media onda de 45 grados de modo que solo pase la viga de entrada reflejada desde el divisor de viga y la viga de salida desde el otro lado. Asegúrese de que ambas vigas de salida se dirijan al divisor de vigas para generar las vigas fonónicas en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. Coloque los perfiladores de haz de cámara CCD en línea con los haces de fotones de salida.

Ajuste los espejos y el retrorreflector para que los pares de vigas en sentido horario y en sentido contrario a las agujas del reloj estén en los mismos modos espaciales. A continuación, monte una lente de enfoque de 300 milímetros entre la placa de cuarto de onda y el espejo dicroico. Coloque la lente de modo que el punto focal del rayo láser de la bomba esté alrededor de la posición de generación de la segunda conversión descendente de fotón en el cristal ppKTP.

Retire los generadores de perfiles de viga y coloque una placa de cuarto de onda, un polarizador de rejilla de alambre y un filtro de interferencia en la trayectoria de cada haz de salida. Acoplar los haces a fibras multimodo con una lente de colimador. Coloque una lente de enfoque de 300 milímetros antes de cada placa de cuarto de onda y enfoque los haces de salida en los colimadores.

A continuación, conecte las fibras multimodo a módulos de conteo de un solo fotón que utilizan fotodiodos de avalancha de silicio. Una vez que la configuración se ha montado completamente, apague el láser de referencia y vuelva a conectar el láser de diodo. Apague las luces de la habitación y excluya toda la luz externa.

A continuación, active los módulos de recuento y cuente los fotones convertidos hacia abajo. A continuación, ajuste la temperatura del cristal ppKTP y el ángulo de inclinación de la placa de media onda de 45 grados para mejorar la velocidad de recuento de los fotones convertidos hacia abajo. Repita las mediciones y los ajustes hasta que se maximice la velocidad de recuento.

Antes de la medición, establezca los ángulos de las placas de cuarto de onda y polarizadores para que los haces de salida alcancen la base de polarización deseada para la medición. A continuación, conecte el módulo de conteo de un solo fotón del haz de salida reflejado en el espejo dicroico a la entrada de señal de inicio de un convertidor de tiempo de amplitud. Conecte el otro haz a la entrada de señal de parada a través de una línea de retardo eléctrico.

Establezca el tiempo de retardo en 50 nanosegundos y el intervalo de tiempo mostrado en 100 nanosegundos. Abra el software del instrumento, ajuste el tiempo de medición a 30 segundos e inicie la medición. Cuando finalice la medición, registre la distribución de la altura del pulso.

Repita la medición con varias combinaciones de base de polarización e identifique una ventana de tiempo de coincidencia basada en la resolución temporal de los módulos de recuento. Para cada medición, integre el área bajo el pico dentro de la ventana de tiempo de coincidencia para estimar los recuentos de coincidencias. Calcule la fidelidad y los parámetros Bell para confirmar que el sistema está generando fotones entrelazados por polarización.

El análisis de las mediciones de detección de coincidencias a partir de seis combinaciones de bases de polarización confirmó que el sistema podía generar y detectar fotones entrelazados por polarización. La fidelidad del enredo fue de 0,85, superando el límite de correlación local clásico de 0,5. Las correlaciones de las bases de polarización superaron el límite de parámetros clásicos de dos, violando la desigualdad de la campana.

Nuestro método permite la separación libre posterior a la selección de pares de fotones degenerados en diferentes modos ópticos característicos de la conversión descendente paramétrica espontánea de tipo dos, manteniendo al mismo tiempo el gran ancho de banda y la alta eficiencia de la conversión descendente espontánea de tipo cero. Este método de uso de múltiples procesos de interferencia cuántica también es útil para la aplicación de fotones enredados a través de la emisión estimulada de la conversión descendente paramétrica espontánea. Debido a la simplicidad de nuestro esquema, podemos mejorar aún más la eficiencia de generación de fotones enredados por polarización mediante la modificación del bombeo láser de pulso y las estructuras de guía de onda en cristales no lineales.

También podemos generar fotones en la banda de longitudes de onda teóricas cambiando el período de poling del cristal. Nuestra técnica mejora la tasa total de producción de pares de fotones por unidad de potencia de la bomba en dos o tres órdenes de magnitud, debido al gran ancho de banda de conversión descendente espontánea de tipo cero. Un gran ancho de banda de pares de fotones correlacionados da un tiempo de coincidencia muy corto, lo que ha atraído una atención considerable para su uso en la tomografía de coherencia óptica cuántica y en muchas otras aplicaciones.