מאמר שיטה

דור ושליטה קוהרנטי של הקוונטים פעמו תדירות מסרקים

9.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/57517

⸱

8 ביוני 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institut National de la Recherche Scientifique - Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications (INRS-EMT), 2School of Engineering, University of Glasgow, 3Department of Energy, Information Engineering and Mathematical Models, University of Palermo, 4School of Mathematical and Physical Sciences, University of Sussex, 5Department of Physics and Material Science, City University of Hong Kong, 6State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Science, 7Centre for Micro Photonics, Swinburne University of Technology, 8Institute of Photonics, Department of Physics, University of Strathclyde, 9Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, 10National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

פרוטוקול מוצגים מעשי הדור ומניפולציה קוהרנטי של הברית פוטון בתדר גבוה-ממדי-bin מסובכת באמצעות מיקרו משולב-חללים ורכיבים תקשורת סטנדרטיים, בהתאמה.

תקציר

אנו מציגים שיטה דור ומניפולציה קוהרנטי של מסרקים תדירות פעמו קוונטית. עד עכשיו, שיטות הכנת הברית גבוה-ממדי על שבב באופן מעשי נשארו חמקמק בשל המורכבות הגוברת של המעגלים קוונטית צריך להכין, לעבד מצבים כאלה. פה, אנו מכינים כמה גבוה-ממדי, תדירות-bin מסובכת, שני הפוטונים הברית יכול להיווצר בקצב דור יציבה, גבוהה על-ידי שימוש של עירור מקונן-cavity, נעול במצב פעיל של מיקרו-חלל לא-ליניאריות. טכניקה זו משמשת כדי לייצר קוונטית פעמו תדירות מסרקים. יתר על כן, אנו מציגים כיצד הברית הקוונטי יכול להיות באופן עקבי ומאוחד תמרן באמצעות רכיבי תקשורת סטנדרטיים כגון אלקטרו-אופטיים מאפננים ומסננים ניתן לתיכנות. בפרט, אנו מראים בפירוט כיצד לבצע מדידות אפיון מצב כגון שחזור מטריצת צפיפות, איתור מקרים ונחישות ספקטרום פוטון יחיד. השיטות שהוצגו יוצרים בסיס נגיש, reconfigurable ו מדרגיים עבור פרוטוקולים מניפולציה והכנה המדינה גבוה-ממדי מורכבת בתחום התדר.

מבוא

השליטה של תופעות קוונטיות פותחת את האפשרות עבור יישומים חדשים בתחומים מגוונים כמו תקשורת מאובטחת קוונטית1, עיבוד2וקוונטית חישה3אינפורמציה קוונטית עוצמה. בעוד מגוון רחב של פלטפורמות פיזית הם פעיל להיות נחקר במשך מימושים של קוואנטום טכנולוגיות4, מצבים הקוונטים אופטי הם מועמדים חשוב כמוצג הם יכולים פעמים קוהרנטיות ארוך ויציבות מרעש חיצוני, מעולה העברת נכסים, כמו גם תאימות עם התקשורת הקיימת והטכנולוגיות שבב (CMOS) סיליקון.

לקראת מיצוי הפוטנציאל של הפוטונים לטכנולוגיות קוונטית, המורכבות המדינה ותוכן המידע ניתן להגדיל באמצעות מספר מפלגות סבוכה ו/או גבוהה-dimensionality. עם זאת, הדור על שבב של מדינות אלו אופטי חסרה המעשיות כמו setups מסובך, לא בצורה מושלמת מדרגיים, ו/או להשתמש ברכיבים הפערים מיוחדים. באופן ספציפי, נתיב גבוהה-ממדי-שזירה דורש figure-introduction-1 מקורות זהים באופן עקבי ומאוחד-נלהב, מעגלים מורכבים של קרן-מפצלי5 (איפה figure-introduction-2 הוא dimensionality המדינה), בעוד זמן-שזירה צריך מורכבים זרוע מרובה אינטרפרומטרים6. למרבה הפלא, התדר הוא מתאים היטב עבור הדור מדרגי ושליטה על מצבים מורכבים, כפי שמוצג על ידי ניצול האחרונים שלה קוונטית תדירות קומבס (QFC)7,8 באמצעות שילוב של אופטיקה משולבת, תשתיות טלקומוניקציה9, ומספק מסגרת מבטיח לטכנולוגיות מידע קוונטי.

על שבב QFCs נוצרים באמצעות אפקטים אופטית לא-ליניאריות משולב מיקרו-סתימות. שימוש כזה לא לינארית מיקרו-מהוד, שני פוטונים סבוכה (ציין אות ו לדנוור) המיוצרים על ידי ספונטנית ארבעה גלים ערבוב, דרך השמדתה של שני פוטונים עירור - עם הזוג הנובעת המופקים צירוף לינארי של חלל מצבי המפוזרות לתדר המתאים (איור 1). אם יש קוהרנטיות בין המצבים תדירות בודדים, מדינה תדר-bin מסובכת הוא בנוי10, אשר הוא המכונה לעתים קרובות המדינה במצב נעול פוטון שני11. הגל-פונקציה זו המדינה יכולה להיות מתוארת על ידי,

figure-introduction-3

כאן, figure-introduction-4 , figure-introduction-5 לדנוור יחיד-תדר-מצב, אות רכיבים, בהתאמה, ו figure-introduction-6 הוא משרעת ההסתברות עבור figure-introduction-7 זוג במצב אות-לדנוור - th.

הפגנות קודמות של QFCs על שבב לסמן צדדיות שלהם כמו פלטפורמות מידע קוונטי קיימא, והם כוללים מסרקים של פוטונים מתואם12, פוטונים מקוטב-קרוס13,14,פוטונים סבוכה15 , 16, פוטון רב מדינות15, תדירות-bin מסובכת הברית9,17. כאן, אנו מספקים סקירה מפורטת של פלטפורמת QFC, עבור תדירות גבוהה-ממדי-bin פרוטוקול מסובכת דור המדינה אופטי ושליטה.

יישומים קוונטי, במיוחד אלה כדי להיות לממשק עם אלקטרוניקה במהירות גבוהה (לעיבוד מידע עדכני), דורשים הדור ברמה גבוהה של טוהר גבוהה פוטון הברית בהגדרת קומפקטי ויציב. אנו משתמשים מזימת חלל פעיל במצב נעול, מקוננת כדי לייצר QFCs בתוך תקשורת להקות תדירות S, C, ו- L. טבעת מיקרו הוא שולב גדול פעמו לייזר חור, עם רווח אופטי (המסופקים על ידי מגבר ארביום-מסטול סיבים, EDFA) מסוננים כדי להתאים את רוחב הפס של מיקרו-טבעת עירור18. נעילת מצב פעיל ממומש באמצעות אלקטרו-אופטיים אפנון של הפסדים חלל19. Isolator מבטיח כי הפצת הדופק עוקב אחר בכיוון אחד. הרכבת הדופק וכתוצאה מכך יש רעש נמוכה שורש ממוצע הריבועים (RMS) ותערוכות שיעורי החזרות tunable וכוחות דופק. מסנן חריץ בידוד גבוהה מפרידה את הפוטונים הנפלטים QFC מן השדה עירור. פוטונים בודדים אלה ואז מודרכים דרך סיבי עבור זיהוי ובקרה.

ערכת שלנו הוא צעד לקראת הדור-שיעור גבוה, קטן-טביעת QFC מקור, כמו כל הרכיבים המשמשים פוטנציאל ניתן לשלב על גבי שבב פוטוני. בנוסף, עירור פעמו היא במיוחד מתאים היטב עבור יישומים קוונטית. ראשית, מסתכל על זוג של מיקרו-cavity מגנטיים סימטרי עירור, שהיא מייצרת שני הפוטונים הברית שבו כל פוטון מאופיינת בתדר יחיד במצב – מרכזי עבור ליניארי קוואנט אופטי מחשוב20. כמו כן, ניתן להפיק פוטון מרובה הברית על-ידי הזזת משטרים עירור גבוה יותר של כוח ובחירה אות-לדנוור זוגות מספר15. שנית, כפי פוטונים נפלטים בחלונות זמן ידוע המתאימים עירור פעמו, עיבוד דפוס של gating ניתן ליישם כדי לשפר את מצב איתור. אולי והכי משמעותי, ערכת שלנו תומך דור גבוהה המחירים של פוטון הברית באמצעות נעילת מצב הרמוני מבלי להפחית את היחס מקרים-כדי-בטעות (מכונית) – אשר יכול לסלול את הדרך עבור אינפורמציה קוונטית במהירות גבוהה, מרובה ערוצים טכנולוגיות.

כדי להדגים את ההשפעה ואת הכדאיות של התדר, השליטה QFC הברית חייב להתבצע בדרכים יישוב, שינויי צורה יעילה במיוחד של המדינה קוהרנטיות. כדי לספק את דרישות כאלה, אנו משתמשים שלב מאפננים – הוקמה רכיבים לתעשיית הטלקומוניקציה ומסננים לתכנות מדורגים. מסננים לתכנות יכול לשמש כדי לכפות משרעת ספקטרלי שרירותי ומסיכת שלב על פוטונים בודדים, עם רזולוציה מספיק לטפל בכל מצב תדר בנפרד; שלב אלקטרו-אופטיים מאפננים מונע על ידי תדרי רדיו (RF) האות גנרטורים להקל על ערבוב של רכיבי התדר21.

ההיבט החשוב ביותר של ערכת שליטה זו היא כי הוא פועל על כל המצבים קוונטי פוטונים בו-זמנית במצב יחיד המרחבי, באמצעות רכיבי בקרה בודדת. הגדלת dimensionality את מצב קוונטי לא תוביל לעלייה מורכבות ההתקנה, בניגוד ערכות שזירה נתיב או זמן-תאים. כמו כן, שכל הרכיבים פועלים באופן חיצוני reconfigurable (כלומר ניתן לשנות את הפעולות ללא המתקנת את ההתקנה) ושימוש בתשתית התקשורת הקיימת. לפיכך, קיימים ועתידיים בהתפתחויות בתחום של עיבוד אופטי מרביים ניתן ישירות להעביר לשליטת המדרגי מצבים הקוונטים בעתיד.

לסיכום, ניצול התדר על-ידי QFCs הדור ברמה גבוהה של מצבים הקוונטים מורכבים ושליטה שלהם, ותומכת, ולכן הוא מתאים היטב רתימת של מצבים מורכבים כלפי מעשי ומדרגי קוונטית טכנולוגיות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. דור של סל-התדר גבוה-ממדי מסובכת הברית באמצעות עירור פעמו

  1. בעקבות ערכת שמתואר באיור 2 (שלב הדור), לחבר כל רכיב באמצעות שמירה על קיטוב סיבים אופטיים (עבור שיפור יציבות סביבתית).
  2. להתחבר ספק כוח אפנן אלקטרו-אופטיים משרעת ולהחיל את ההיסט מתח DC, כוונון ערך ההיסט עד הכוח האופטי מועברים באמצעות זה הוא כ חצוי (נמדד בעזרת מד הכוח האופטי של), למשל., כך לשיא שידור ערך של 2 mW הוא חצוי ל 1 מגה-וואט.
  3. למדוד את אורך משוער חלל חיצוני. חישוב המרווח מצב חלל חיצוני באמצעות היחס,
    figure-protocol-1
    איפה figure-protocol-2 היא מצב חיצוני חלל מרווח, c היא מהירות האור בואקום, figure-protocol-3 הוא מדד יעיל של המדיום חלל ו- L הוא אורך חלל חיצוני. לדוגמה, עבור חור 20 מ' המורכב סיבים עם אינדקס השבירה יעיל של 1.46, המרווח מצב חלל המשוער יהיה 10.2 מגה-הרץ.
  4. הפעל את EDFA ליזום lasing.
  5. הכנס את פוטודיודה מהר הכיוונון מחבר חלל או יציאות אחרות טבעת. לחבר את האות פוטודיודה אוסצילוסקופ להתבונן העוצמה של השדה עירור בתחום-הזמן.
  6. הגדירו את הפרדת זמן אוסצילוסקופ < 100 ps (באמצעות הידית סולם אופקי) כדי לפתור את פולסים ns-סולם. בשלב זה, מבלי אפנן מופעל, הפלט על אוסצילוסקופ יראה דופק לא יציב מבצע באיכות נמוכה, רעש גבוהה הדופק הרכבת.
  7. להתחבר מחולל אותות אפנן משרעת אלקטרו-אופטיים. להגדיר את התדירות של הפלט הפונקציה מחולל את המרווח מצב חלל חיצוני (משוער) נמצא מעל (או הרמוני של זה). האות הזה מבצעת את מצב הנעילה. בחר את הדופק waveform (מלבני) או גל סינוס עבור אפנון משרעת. הפעל את מחולל.
  8. מנגינה RF בפונקציית מחולל תדר של DC לקזז כדי למטב ולייצב את הצורה הרכבת דופק אוסצילוסקופ. אם אות נהיגה פעמו משמש, למטב את המחזור.
  9. כוונן באופן ידני את רווח EDFA להפחית (או להגדיל) עוצמת הדופק למשטר איפה המאפיינים של חלקיקי שנוצר האור לפי הצורך על-ידי המשתמש (המכונית היא מדד שימושי של כאן - לפרטים על המידה שלה). בשביל זה, להשוות את היסטוגרמות מקרים בהתאמה שנוצר על ידי הממשק החזותי שמגיע עם האלקטרוניקה תזמון.
  10. להאכיל בערוץ תזמון הסינכרון אלקטרוניקה עם האות הרכבת הדופק (שזיהה את פוטודיודה) או האות נעילת מצב RF כדי לסנכרן את גלאי פוטון יחיד עם הדור של זוג הפוטונים.
  11. כדי להגביר את קצב הדור של QFCs, לנהוג את נעילת מצב אפנן הרמוניות גבוהות יותר של המרווח תדירות חלל חיצוני בזמן בו זמנית משלים את רווח EDFA על מנת להבטיח את אותו הכוח לפי הדופק – מחזק את הפוטון זוג בזמן להגביר את קצב יצירת זוג (איור 3). בשביל זה, להגדיל מחולל אותות הפלט תדירות ורווח EDFA בהתאמה.

2. שליטה של סל-התדר גבוה-ממדי מסובכת הברית

  1. בעקבות ערכת שמתואר באיור 2 (שלב הבקרה), לחבר כל הרכיבים באמצעות שמירה על קיטוב סיבים. החל מ למסנן חריץ של ערכת הדור, לחבר סדרת הראשון ניתן לתכנות, שלב אפנן ומסנן המסנן השני ניתן לתיכנות. בסופו של דבר לחבר את גלאי פוטון יחיד למטרות מדידה.
  2. המסנן לתכנות
    הערה: בהתאם ספציפי ליישום/המדידה המבוצעת, בקרת פרמטרים של QFC ישתנו, שלב ומסיכות משרעת חלה על המצבים תדירות להיקבע בהתאם. המסכה משרעת יכול לשמש כדי להחליש או לחסום את מצבי תדר מסוים, המסכה שלב להקנות את משמרת שלב שרירותי על כל מצב.
    1. לקבוע את המסכות הכרחי עבור היישום/המידה הרצויה.
    2. דרך הממשק הויזואלי ' מסנן לתכנות '22, להגדיר את משרעת של ערוצי מצב התדירות הרצויה, להחליש את כל השאר.
    3. באופן דומה, למרוח את המסכה שלב (שלב חלה על הערוצים רצויה אינו חשוב, כפי שהם נמצאים באופן מלא הקלוש). לשלוט במסנן לתכנות עם ממשק ויזואלי שבו נבחרו התדרים הרצוי.
  3. אפנון פאזה מבצע
    1. באמצעות אפנון פאזה, מונע על ידי אות תקופתיים, לפצל כל רכיב ספקטרלי לצד להקות במרחקים לפי התדירות של מחולל אותות המניע את אפנן שלב. השתמש באפשרות זו כדי לערבב מספר קוונטי אחר תדירות מצבי, מקבילה עם קרן מרחבית-מפצלי במזימות נתיב-שזירה. הקוונטי, נחשב אלקטרו-אופטיים אפנון פאזה קוונטית של פיזור פעולת23.
    2. לקבוע את יעד תדירות מצבי (תלוי figure-protocol-4 , המדידה/עיבוד המבוצעת) ולחשב את התבנית מתח (תדירות ו משרעת עבור גנרטור גל סינוס) כדי למטב את הרצוי figure-protocol-5 ערכים (ראה להלן הנחיות קצת פרטים על זה).
    3. לחבר את מחולל אותות המגבר RF באמצעות כבלים נמוך-הפסד (כמו כבלים SMC). חבר את פלט מגבר RF אפנן שלב, גם באמצעות כבלי RF נאותה. לאחר שכל הקצוות RF מחוברים כראוי הסתיים, הטיה המגבר RF.
    4. ודא כי המגבר RF יש מספיק כוח פלט להסיע את אפנן שלב אלקטרו-אופטיים עם מתח מספיק לפגוש את התנאים הרצויים ערבוב — אלו יתבסס כמה figure-protocol-6 (המתח חצי-גל של שלב אפנן). כמו כן, ודא מחברים וכבלים RF נאותה עבור טווח רוחב פס והתדירות של האות נהיגה.
    5. הגדר את מחולל אותות RF (שהוא נוהג את שלב אפנן) בתדר אשר יחפוף את מצבי הרצוי עם הלהקות-הלוואי שנוצר (למשל., 33 ג'יגה-הרץ).
    6. הפעל את מחולל אותות לערבב את מצבי תדר.
    7. כדי לוודא אפנון הנכון מוחל, לשלוח לייזר מכ דרך אפנן שלב ולבדוק את הספקטרום פלט מקביל אפנון המיועד באמצעות של מנתח ספקטרום אופטי (הפרמטרים אפנון יכול להיות עוד יותר אופטימיזציה, עיין בהערות).
      הערה: אופטימיזציה של שילוב בין תדירות מצבי (קביעת תדירות תפקוד אופטימלי של משרעת) תלויה מאוד ערכת ערבוב הרצוי, ניסויים המבוצעת, המדינה dimensionality figure-protocol-7 . במידת האפשר, הערכות ערבוב צריך לערבב מצבי קרוב מצב ראשוני תדר (תמורת שלמים נמוך sidebands) כדי להגביר את היעילות ערבוב. לדוגמה, אם figure-protocol-8 , ערבוב, מומלץ להשתמש להתרחש באמצע הדרך בין תדירות שני המצבים (לכן, אפנון פאזה צריך להיות מונע בתדר שבו יש שלם מרובות שווה חצי התדר מצב קוונטי ריווח, או חינם טווח הספקטרום (FSR)). עם זאת, עבור figure-protocol-9 , ערבוב, מומלץ להשתמש להתרחש במצב תדירות מרכז (שלב אפנון צריך להיות מונע בתדר עם שלם שווה מרובים FSR). לדוגמה, עם figure-protocol-10 , מיקרו-cavity figure-protocol-11 ג'יגה-הרץ, אפנון פאזה נהיגה אות מוגדר 33.33 GHz כזה figure-protocol-12 sideband חופף מצבי תדירות שכנות - ומשאיר בעוצמה מספקת גם במרכז מצב תדר. התוצאה היא החופף של sidebands השכנה מצבי figure-protocol-13 , figure-protocol-14 , figure-protocol-15 בכל מצב תדירות מרכז figure-protocol-16 . איור 4a מדמיין דוגמה לתהליך האפנון מקדמי sideband. כל מצב תדר עובר את שלב באפנון יוצר מאותה התפלגות sideband, אך ממורכז על מצב התדר המקורי (איור 4a). עבור מצב תדר יחיד, amplitudes sideband מחושבים המקדמים של טור פורייה24,
      figure-protocol-17
      איפה figure-protocol-18 משרעת יועבר figure-protocol-19 -th sideband, figure-protocol-20 התדר המונע אפנן שלב ב, figure-protocol-21 הוא דפוס אפנון פאזה (תקופתיות בתדירות figure-protocol-22 ), ו- figure-protocol-23 הוא הארגומנט של הפונקציה אפנון תקופתי (figure-protocol-24). עבור אות נהיגה sinusoidal, figure-protocol-25 , amplitudes הצד-band מתוארים על ידי הרחבת יעקבי-כעס,
      figure-protocol-26
      figure-protocol-27
      איפה figure-protocol-28 הוא figure-protocol-29 - פונקציית Bessel מהסדר מהסוג הראשון להעריך figure-protocol-30 , figure-protocol-31 היא משמרת שלב המרבי (איפה figure-protocol-32 הוא משרעת המתח של האות נהיגה יחיד-tone).

3. עיבוד של סל-התדר גבוה-ממדי מסובכת הברית

  1. פוטון יחיד ספקטרום
    1. הכנס גלאי פוטון יחיד לאחר הסינון של השדה עירור של QFC, על הפלט של מסנן ניתן לתיכנות.
    2. באמצעות מסנן ניתן לתיכנות המחשב התוכנה, בהטיה הפס מסנן לתכנות מלא באמצעות bandpass צר משרעת מסיכת מסנן, מדידה הפוטון ספירת המחירים כפונקציה של תדירות. לדוגמה, אם תמונה ממשק/בקרה script ב- MATLAB משמש (כי הוא לממשק עם תזמון אלקטרוניקה ובקרה לתכנות מסנן), הזן את ערכי רוחב פס של המסנן הרצוי, צעד מספר ולחץ על "הפעל". ודא נחשב מספיק זמן אינטגרציה לקחת הפוטון המתאים.
    3. כדי לשחזר את הספקטרום של נתונים אלה, מגרש (לדוגמה, באמצעות סקריפט Matlab) שיעור ספירת פוטון נגד הגל המתאים (bandpass לסנן מרכז) שבו הם נרכשו.
  2. מקרים מדידה
    1. כדי לבצע מדידה מקרים, לפצל, לנתב את האות ופוטונים תמך כדי להפריד בין גלאי פוטון יחיד. אם המסנן לתיכנות יש יציאות מרובות, להשתמש בו כדי לבצע את ההפרדה. אחרת, להוסיף צפופה באורך הגל חטיבה מרבב ((dwdm)) לפני גלאי פוטון יחיד, השתמש באפשרות זו כדי לנתב את הפוטונים.
    2. בחר אות תמך זוג (לדוגמה, קווים תהודה השני תדירות עירור, אות-2, לדנוור-2) את לתכנות לסנן (דרך הממשק שסופקו תוכנה) ושימוש לנתב אותם שני גלאים פוטון יחיד נפרדות. לדוגמה, עבור התוכנה WaveManager, לחץ על תפריט המשנה Flexgrid, לחץ על "הוסף", והזן הנמל גל והפלט עבור שבחרת בערוץ22.
    3. להקליט את זמן ההגעה של האות, תמך פוטונים באמצעות ממיר הזמן לדיגיטלי. מ מדידות אלה, לחשב משך ההשהיה בין שני והפוטונים. מגרש היסטוגרמה (לדוגמה, באמצעות סקריפט Matlab) של מקרים נחשב השהיית זמן figure-protocol-33 בין האות לבין לדנוור — זה מספק מדידה מקרים.
      הערה: מדד רכב משווה את המספר של ספירת מקרים נכון מזוגות פוטון שנוצר עם הסעיפים מקרים מקרית הנובעת פוטון מרובי תהליכים וספירות כהה.
    4. מן המדידה מחושבות לעיל, להקליט מספר ספירות הפסגה מרכז (צירופי מקרים הנובעים פוטונים מיוצר באותו הדופק, סביב העיכוב אפס, figure-protocol-34 ) — זה הערך מקרים.
    5. להקליט את המספר הממוצע של ספירת כל צד-שיא (צירופי מקרים של הפוטונים מיוצר פולסים שונים, איפה figure-protocol-35 הוא כפולה של הדופק הרכבת התקופה, כלומר., ההופכי של החזרה. הדופק), אשר הוא הערך בשוגג.
      הערה: המכונית היא פשוט היחס בין שני ערכים אלה (ערך ערך/בטעות מקרים).
  3. שחזור מטריצת צפיפות
    שים לב: תהליך שיקום מטריצת צפיפות תלויה במספר פרמטרים של המדינה קוונטית:-ממדיות של חלקיקי האור, מספר פוטונים, אילו מצבים נמדדים. מספר המדידות raw הנדרש שווה ל-figure-protocol-36, איפהfigure-protocol-37יש dimensionality,figure-protocol-38הוא המספר של פוטונים. כך, לדוגמה, זוג שני הפוטונים עם-ממדיות שלfigure-protocol-39ידרוש מדידות 81. פרוטוקול זה מתאר את תהליך כללי עבור שיקום מטריצת צפיפות, עם דוגמאות בשביל זוגfigure-protocol-40תדירות מצב פוטונים.
    1. לקבוע קבוצת וקטורים בסיס עבור המדינה הרצויה, קבוצת וקטורים הקרנה (ראה להלן לקבלת פרטים לגבי אופן בהתאם לבחור אלו).
    2. עם מידה מקרים, השתמש במסנן לתכנות או אות מסלול (dwdm), פוטונים תמך כדי להפריד גלאי פוטון יחיד.
    3. באמצעות הפקד תוכנת סינון לתכנות, בחר את מצבי התדירות הרצויה ולאחר להחליש את כל השאר. הגדר השלב ערכי מסיכת כדי להבין כל wavevector הקרנה בנפרד ולהקליט מדידה מקרים. חשוב לאפשר באותו הזמן אינטגרציה בין ספירת מקרים הקרנה שונות.
    4. שימוש ב- script מותאמים אישית במחשב, לחשב את הצפיפות של חלקיקי האור באמצעות המדידות ספירת מקרים raw של כל הקרנה wavevector (ראה להלן לפרטים הרלוונטיים חישובית).
      הערה: בעת קביעת בסיס וקטורים עבור המידה מטריצת צפיפות, הם חייבים להקיף את שטח המדינה. עבור המקרה לדוגמה, הם הווקטורים בסיס
      figure-protocol-41
      למען מדינה figure-protocol-42 , הצפיפות מתארת את מצב קוונטי.
      figure-protocol-43
      הצפיפות עבור כל מערכת ממשית חייב להיות מטריצה חיובית-מובהק, Hermitian - אך בשל רעש, אולי זה לא תמיד להיות המקרה. במקרה דוגמה עם הבסיס שבחרת, wavevector של המדינה האידיאלית מקסימאלית מסובכת בתדירות יכול להיות מיוצג כ
      figure-protocol-44
      לכן, הצפיפות התיאורטי יהיה:
      figure-protocol-45
      הקרנה המידות נלקחות על סדרה של הקרנה wavevectors, figure-protocol-46 . ספירת מקרים כל השלכה מקבלים כ,
      figure-protocol-47
      איפה figure-protocol-48 הוא קבוע (ראה להלן הנחיות הגדרה).
    5. לבחור ערכה אורתוגונלית של figure-protocol-49 , מנורמל מטריצות, figure-protocol-50 , כך
      figure-protocol-51
      איפה figure-protocol-52 זכר, figure-protocol-53 את ממד, figure-protocol-54 הוא המספר של פוטונים, ו figure-protocol-55 היא פונקציית הדלתא של קרונקר. מטריצות אלה נבנה את מועדו יוניטרית מיוחד (figure-protocol-56) גנרטורים (אשר יש figure-protocol-57 ), יחד עם מטריצת הזהות, דרך כל האפשר טנזור המוצר שילובים25. ראה להלן מטריצות אורתוגונלית של המקרה לדוגמה.
    6. לשחזר את הצפיפות, figure-protocol-58 , דרך הקשרים הבאים,
      figure-protocol-59
      figure-protocol-60
      figure-protocol-61
      figure-protocol-62
      איפה figure-protocol-63 הוא הפוטון נחשב figure-protocol-64 -th היטל וקטור, figure-protocol-65 הם הווקטורים הקרנה (ראה שלב הבא), איפה figure-protocol-66 , figure-protocol-67 מחושבים לפי הגדרת המשוואה.
      הערה: יש הקרנה wavevectors עבור המקרה לדוגמה,
      figure-protocol-68figure-protocol-69
      figure-protocol-70
      figure-protocol-71
      figure-protocol-72
      figure-protocol-73
      figure-protocol-74
      figure-protocol-75
      figure-protocol-76
      השפעול, wavevectors האלה הם הבינו במסירת משמרת השלב המתאים על כל מצב באמצעות המסנן לתכנות. עיין הפרסום הקודם25 לדיון על הקרנה וקטורים. קבוצת אורתוגונלית מטריצות, figure-protocol-77 למשל מקרה נבחרו לראשונה להשתמש. בגנרטורים SU(3) יחד עם מטריצת הזהות,
      figure-protocol-78
      figure-protocol-79
      figure-protocol-80
      figure-protocol-81
      figure-protocol-82
      figure-protocol-83
      figure-protocol-84
      figure-protocol-85
      figure-protocol-86
      מחושבים,
      figure-protocol-87
    7. לדיון מעמיק יותר של המדינה גבוה-ממדי שחזור, מתייחסים התייחסות 25 25.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

ערכת מחולקת לרמות הדור ובקרה של הברית בתדירות גבוהה-ממדי-bin (בהתאם את עירור של לא-ליניאריות מיקרו-חללים, איור 1) מוצגת באיור2. תוכנית התקנה זו משתמשת ברכיבי תקשורת סטנדרטיים, והוא גמיש במיוחד את קצב הייצור של פוטון, פעולות עיבוד שהוחלו. איור 3 מראה אפיון ערכת דור דרך מקרים קצב המכונית כמו פונקציה של קצב החזרה, הוכחת כי ניתן להגדיל את הייצור של פוטון זוגות מבלי להקטין את המכונית. במקטע ' בקרה ', שלב ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

התחום התדירות אופטי, דרך QFCs, יש יתרון ביישומים קוונטי עבור שורה של סיבות. פעולות הן כלליות, משחק על כל מדינות בו זמנית, אשר התוצאות לעיצוב אינה סקיילבילית גודל או מורכבות כמו עליות dimensionality המדינה. זה מוגברת כמו הרכיבים יכול להיות מחדש ב- the-fly מבלי לשנות את ההגדרה הם מסוגל להיות משולב על שבב על ידי ניצול הקיימים ו/או פיתוח תשתיות המוליכים למחצה, התקשורת. גם יכול להיות מאומץ הטכניקות דור עבור מיקרו-חללים אופטיים אחרים — כגון מיקרו לא-לינאריות מסדר שני-חללים28, מיקרו-דיסקים

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תודות

אנו מודים Helsten ר על תובנות טכני; פ קונג מ QPS Photronics על העזרה ועל עיבוד ציוד; כמו גם QuantumOpus, ש Bertone של רכיבים אלקטרואופטיקה על תמיכתם ועל מתן אותנו עם המדינה-of-the-art פוטון איתור ציוד. עבודה זו התאפשרה על ידי מקורות המימון הבאים: מדעי הטבע, הנדסה מחקר המועצה של קנדה (NSERC) (Steacie, אסטרטגי, גילוי, וערכות האצת מענקים, מלגות לתואר שני של קנדה וניהר, מלגת USRA); Mitacs (IT06530), PBEEE (207748); יוזמה של PSR-SIIRI MESI; קנדה תכנית המחקר הכסא; מחקר אוסטרלי גילוי המועצה פרויקטים (DP150104327); המחקר של האיחוד האירופי אופק 2020 ותוכנית חדשנות תחת מארי Sklodowska-קירי הענק (656607); תוכנית CityU SRG-Fd (7004189); עדיפות אסטרטגית תוכנית מחקר של האקדמיה הסינית למדעים (XDB24030300); תוכנית אנשים (מארי קירי פעולות) של האיחוד האירופי תוכנית האיחוד FP7 תחת ריאה גרנט הסכם INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); ממשלת הפדרציה הרוסית דרך מלגת ITMO פרופסורה התוכנית (גרנט 074-U 01); 1000 כשרונות סצ'ואן התוכנית (סין)

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מערכת גלאי פוטון יחיד מוליך-עלQuantum OpusOpus One
מודולטור פאזה אלקטרו-אופטיEO-Spaceמודל
מסנן ניתן לתכנותFinisar WaveShaper 4000s
אלקטרוניקה תזמוןPicoQuantHydraHarp 400
מיקרו-טבעת200 GHz FSR מהוד מיקרו-טבעת עשוי מזכוכית בעלת מקדם שבירה גבוה. ראה Ref. 24 לפרטי הפלטפורמה.
מגבר סיבים מסומם ארביוםKeopsysPEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA
מאפנן משרעת אלקטרו-אופטיתOclaro RF SD40
Rohde & SchwarzSMP 04
מגבר צלילRF-Lambda
TetronixAFG 3251
מבודדפוטוניקה כלליתNISO-S-15-SS-FC/APF
אוסילוסקופTetronix 
PhotodiodeFinisarXPDV 50 GHz
DWDMOptiWorksDWFUQUMD08BN
ספק כוחMadellCA18303D
הפסדים נמוכיםמהוד מקור צליל מחולל פונקציות RFLUPA27G34GA TDS5052B

מקורות

  1. Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
  2. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
  3. Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604(2014).
  4. Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
  5. Schaeff, C., Polster, R., Lapkiewicz, R., Fickler, R., Ramelow, S., Zeilinger, A. Scalable fiber integrated source for higher-dimensional path-entangled photonic quNits. Optics Express. 20 (15), 16145(2012).
  6. Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93(2004).
  7. Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
  8. Caspani, L., et al. Multifrequency sources of quantum correlated photon pairs on-chip: a path toward integrated Quantum Frequency Combs. Nanophotonics. 5 (2), 351-362 (2016).
  9. Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
  10. Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
  11. Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
  12. Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
  13. Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236(2015).
  14. Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88(2015).
  15. Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
  16. Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731(2016).
  17. Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62 (19), JTh5B.3 (2017).
  18. Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940(2017).
  19. Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
  20. Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
  21. Olislager, L., Woodhead, E., Phan Huy, K., Merolla, J. M., Emplit, P., Massar, S. Creating and manipulating entangled optical qubits in the frequency domain. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 89 (5), 1-8 (2014).
  22. Finisar WaveShaper Software. , Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018).
  23. Capmany, J., Fernández-Pousa, C. R. Quantum model for electro-optical phase modulation. Journal of the Optical Society of America B. 27 (6), A119(2010).
  24. Stocklin, F. Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
  25. Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
  26. Moss, D. J., Morandotti, R., Gaeta, A. L., Lipson, M. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature Photonics. 7 (8), 597-607 (2013).
  27. Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100(2017).
  28. Guo, X., Zou, C., Schuck, C., Jung, H., Cheng, R., Tang, H. X. Parametric down-conversion photon-pair source on a nanophotonic chip. Light: Science & Applications. 6 (5), e16249(2016).
  29. Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884(2015).
  30. Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413(2011).
  31. Kumar, R., Ong, J. R., Savanier, M., Mookherjea, S. Controlling the spectrum of photons generated on a silicon nanophotonic chip. Nature communications. 5, 5489(2014).
  32. Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182(1992).
  33. Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
  34. Thoen, E. R., Grein, M. E., Koontz, E. M., Ippen, E. P., Haus, H. A., Kolodziejski, L. A. Stabilization of an active harmonically mode-locked fiber laser using two-photon absorption. Optics Letters. 25 (13), 948(2000).
  35. Harvey, G. T., Mollenauer, L. F. Harmonically mode-locked fiber ring laser with an internal Fabry-Perot stabilizer for soliton transmission. Optics Letters. 18 (2), 107(1993).
  36. Gee, S., Quinlan, F., Ozharar, S., Delfyett, P. J. Simultaneous optical comb frequency stabilization and super-mode noise suppression of harmonically mode-locked semiconductor ring laser using an intracavity etalon. IEEE Photonics Technology Letters. 17 (1), 199-201 (2005).
  37. Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Frequency Bin Entanglement

מאמרים קשורים