Génération et un contrôle cohérent des peignes de fréquence pulsée Quantum

L’objectif global de ce protocole est de générer et de contrôler de manière cohérente des peignes de fréquences quantiques pulsés qui peuvent être utilisés pour le traitement de l’information quantique. Cette méthode peut nous aider à fournir les outils nécessaires aux recherches fondamentales de la mécanique quantique et à la réalisation de technologies non classiques, telles que les communications quantiques et le traitement de l’information. Le principal avantage de cette technique est que des composants et des protocoles de télécommunications bien établis sont utilisés pour générer et contrôler des états quantiques optiques complexes de manière reconfigurable et évolutive.

Nous avons eu cette idée lorsque nous avons discuté avec mon collègue Jose Azana qui est un expert en traitement des télécommunications, et nous avons réalisé que nous pouvions transférer ces outils dans le monde des objets quantiques. Installez les composants du système sur une table optique. Le système comporte des étapes de génération, de contrôle et de traitement.

Cette représentation donne un aperçu. Tous les éléments sont reliés par une fibre optique de maintien de polarisation. Pour l’instant, concentrez-vous sur l’étape de génération.

Cet étage est doté d’un résonateur à micro-anneau sur puce intégré dans une cavité externe plus grande. La cavité externe est constituée d’un modulateur d’amplitude électro-optique piloté par un générateur de signaux, d’un isolateur et d’un amplificateur à fibre dopée à l’erbium fournissant un gain optique. Il y a un filtre étroit avec une bande passante sélectionnant une résonance de microcavité unique et un filtre à encoche acheminant les photons générés vers la section de contrôle.

Avec la cavité déconnectée, lancez l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium. Utilisez un wattmètre optique après le modulateur d’amplitude pour mesurer la puissance transmise. Au niveau du modulateur, utilisez une alimentation pour appliquer un décalage DC afin d’avoir la puissance transmise.

Reconnectez la cavité et insérez une photodiode rapide dans un autre port annulaire. Utilisez un oscilloscope pour observer son signal dans le domaine temporel. Si le modulateur n’est pas activé, la sortie affichera un fonctionnement d’impulsion instable avec un train d’impulsions de mauvaise qualité.

Revenez au modulateur d’amplitude et connectez le générateur de fonctions. Réglez la fréquence de sortie du générateur sur un multiple de l’espacement approximatif du mode de cavité externe. Sélectionnez une forme d’onde rectangulaire ou sinusoïdale et activez le générateur de fonctions.

Réglez la fréquence du générateur de fonctions et le décalage CC pour optimiser et stabiliser le train d’impulsions sur l’oscilloscope. Ajustez manuellement le gain pour régler l’intensité de l’impulsion. Le processus de mélange non linéaire à quatre ondes à l’intérieur du résonateur en anneau crée désormais des paires de signaux et de photons inactifs qui quitteront la cavité externe au niveau du filtre coupe-bande.

Connectez le signal de synchronisation du générateur de fonctions à l’électronique de synchronisation. Le taux de génération de ce peigne de fréquence quantique pulsé peut être augmenté en pilotant le modulateur d’une harmonique plus élevée de l’espacement des fréquences de la cavité externe, entrant ainsi dans une machine de verrouillage en mode harmonique. Le gain de l’amplificateur doit alors également être augmenté pour assurer la même puissance par impulsion.

Après le filtre coupe-bande dans l’étape de génération, les photons intriqués entrent dans l’étape de contrôle. Là, dans l’ordre, ils rencontrent un filtre programmable, un modulateur de phase et un second filtre programmable. Tout d’abord, programmez les filtres.

Réglez l’amplitude des canaux du mode de fréquence souhaité et atténuez les autres. De même, décidez du masque de phase souhaité. Faites-le pour chaque filtre.

Cette image représente l’amplitude et la phase d’une mesure de coïncidence. Pour préparer le modulateur de phase, connectez le générateur de signaux à l’amplificateur RF à l’aide de câbles à faible perte. Connectez ensuite l’amplificateur RF au modulateur de phase.

Une fois que toutes les extrémités RF sont connectées et terminées, polarisez l’amplificateur. Réglez le générateur de signaux RF pour qu’il crée des bandes latérales qui se chevauchent avec les modes de fréquence souhaités, puis activez-le. À titre de test, configurez le système pour qu’il envoie un faisceau laser à ondes continues à travers le modulateur de phase.

À l’aide d’un analyseur de spectre optique, vérifiez que le spectre d’entrée produit un spectre de sortie qui correspond à la modulation prévue pour l’expérience. Pour continuer, connectez le modulateur de phase aux filtres programmables. Lors de la définition du modèle de modulation de phase, il est important de déterminer quel modèle créera les bandes latérales de fréquence ciblées pour l’opération choisie.

Cela dépendra de la dimension de l’état quantique utilisé et de l’espacement de résonance des microcavités. Les paires de photons de l’étape de génération entrent dans l’étape de contrôle. Le premier filtre définit l’amplitude et la phase programmées.

Ensuite, le modulateur de phase crée les bandes latérales de fréquence nécessaires. Le deuxième filtre sélectionne la paire signal et tendeur. Lors de l’entrée dans l’étape de traitement, séparez les photons intriqués à l’aide d’un multiplexeur à répartition en longueur d’onde dense.

De là, ils passent chacun à des détecteurs de photons uniques. Enregistrez l’heure d’arrivée de chaque photon à l’aide de l’électronique de synchronisation configurée pour la mesure des coïncidences. La configuration permet un contrôle cohérent des états des photons.

Ici, les bandes latérales de fréquence sont générées par modulation de phase. L’espacement et les amplitudes des bandes latérales sont déterminés par le signal modulant. Le contrôle cohérent de l’état des photons peut être utilisé pour la tomographie d’état quantique.

Il s’agit d’un exemple de reconstruction de la matrice de densité d’état pour un système à deux photons avec une dimensionnalité de trois pour chaque photon. La fidélité entre les états mesurés et intriqués au maximum est d’environ 81 %La technique de génération de taux de répétition élevé pulsé n’est pas limitée aux résonateurs à micro-anneau et peut être adoptée pour d’autres cavités optiques, telles que les guides d’ondes à cristaux photoniques, les microdisques et les cavités non linéaires du second ordre. Avec son développement, la plate-forme combine des techniques établies en télécommunications avec des technologies quantiques vers des applications potentielles, comme les communications sécurisées à haut débit sur des canaux multiplexes ou les opérations quantiques de grande dimension.