Generazione e controllo coerente di pettini di frequenza pulsata Quantum

L'obiettivo generale di questo protocollo è quello di generare e controllare in modo coerente pettini di frequenza quantistica pulsata che possono essere utilizzati per l'elaborazione dell'informazione quantistica. Questo metodo può aiutarci a fornire gli strumenti per le indagini fondamentali della meccanica quantistica e per la realizzazione di tecnologie non classiche, come le comunicazioni quantistiche e l'elaborazione delle informazioni. Il vantaggio principale di questa tecnica è che vengono utilizzati componenti e protocolli di telecomunicazione ben consolidati per generare e controllare stati quantistici ottici complessi in modo riconfigurabile e scalabile.

Abbiamo avuto questa idea quando abbiamo parlato con il mio collega Jose Azana, esperto di elaborazione delle telecomunicazioni, e ci siamo resi conto che potevamo trasferire questi strumenti al mondo degli oggetti quantistici. Posizionare i componenti del sistema su un tavolo ottico. Il sistema dispone di fasi per la generazione, il controllo e l'elaborazione.

Questa rappresentazione fornisce una panoramica. Tutti gli elementi sono collegati con polarizzazione mantenendo la fibra ottica. Per ora, concentrati sulla fase di generazione.

Questo stadio è dotato di un risonatore a micro-anello su chip incorporato in una cavità esterna più grande. La cavità esterna è costituita da un modulatore di ampiezza elettro-ottico azionato da un generatore di segnali, un isolatore e un amplificatore in fibra drogata con erbio che fornisce guadagno ottico. C'è un filtro stretto con una banda passante che seleziona una singola risonanza di microcavità e un filtro notch che indirizza i fotoni generati alla sezione di controllo.

Con la cavità scollegata, avviare l'amplificatore in fibra drogata con erbio. Utilizzare un misuratore di potenza ottico dopo il modulatore di ampiezza per misurare la potenza trasmessa. Sul modulatore, utilizzare un alimentatore per applicare un offset CC per avere la potenza trasmessa.

Ricollegare la cavità e inserire un fotodiodo veloce in una porta ad anello diversa. Usa un oscilloscopio per osservare il suo segnale nel dominio del tempo. Senza il modulatore attivato, l'uscita mostrerà un funzionamento instabile degli impulsi con un treno di impulsi di bassa qualità.

Tornare al modulatore di ampiezza e collegare il generatore di funzioni. Impostare la frequenza di uscita del generatore su un multiplo della spaziatura approssimativa della modalità cavità esterna. Selezionando una forma d'onda rettangolare o sinusoidale e attivando il generatore di funzioni.

Sintonizzare la frequenza del generatore di funzioni e l'offset CC per ottimizzare e stabilizzare il treno di impulsi sull'oscilloscopio. Regolare manualmente il guadagno per impostare l'intensità dell'impulso. Il processo di miscelazione non lineare a quattro onde all'interno del risonatore ad anello crea ora coppie di segnali e fotoni idler che lasceranno la cavità esterna al filtro notch.

Collegare il segnale di sincronizzazione dal generatore di funzioni all'elettronica di cronometraggio. La velocità di generazione di questo pettine di frequenza quantistica pulsata può essere aumentata guidando il modulatore a un'armonica più alta della spaziatura di frequenza della cavità esterna, entrando così in una macchina di blocco della modalità armonica. Anche il guadagno dell'amplificatore deve quindi essere aumentato per garantire la stessa potenza per impulso.

Dopo il filtro notch nella fase di generazione, i fotoni entangled entrano nella fase di controllo. Lì, nell'ordine, incontrano un filtro programmabile, un modulatore di fase e un secondo filtro programmabile. Innanzitutto, programma i filtri.

Imposta l'ampiezza dei canali della modalità di frequenza desiderati e attenua gli altri. Allo stesso modo, decidere la maschera di fase desiderata. Fallo per ogni filtro.

Questa immagine rappresenta l'ampiezza e la fase per una misurazione di coincidenza. Per preparare il modulatore di fase, collegare il generatore di segnale all'amplificatore RF con cavi a bassa perdita. Quindi collegare l'amplificatore RF al modulatore di fase.

Una volta che tutte le estremità RF sono collegate e terminate, polarizzare l'amplificatore. Impostare il generatore di segnale RF per creare bande laterali che si sovrappongono alle modalità di frequenza desiderate, quindi attivarlo. Come test, impostare il sistema per inviare un raggio laser a onda continua attraverso il modulatore di fase.

Utilizzare un analizzatore di spettro ottico per verificare che lo spettro di ingresso produca uno spettro di uscita che corrisponda alla modulazione prevista per l'esperimento. Per continuare, collegare il modulatore di fase con i filtri programmabili. Quando si imposta il modello di modulazione di fase, è importante determinare quale modello creerà le bande laterali di frequenza mirate per l'operazione scelta.

Ciò dipenderà dalla dimensione dello stato quantistico utilizzato e dalla spaziatura di risonanza delle microcavità. Le coppie di fotoni della fase di generazione entrano nella fase di controllo. Il primo filtro imposta l'ampiezza e la fase programmate.

Successivamente, il modulatore di fase crea le bande laterali di frequenza necessarie. Il secondo filtro seleziona la coppia di segnale e idler. All'ingresso nella fase di elaborazione, separare i fotoni entangled con un multiplexer a divisione di lunghezza d'onda densa.

Da lì, ognuno di loro passa a rilevatori di fotoni singoli. Registra l'ora di arrivo di ciascun fotone utilizzando l'elettronica di temporizzazione impostata per la misurazione della coincidenza. La configurazione consente un controllo coerente sugli stati dei fotoni.

Qui le bande laterali di frequenza vengono generate tramite modulazione di fase. La spaziatura e le ampiezze della banda laterale sono determinate dal segnale modulante. Il controllo coerente dello stato del fotone può essere utilizzato per la tomografia dello stato quantistico.

Questo è un esempio di ricostruzione della matrice di densità di stato per un sistema a due fotoni con una dimensionalità di tre per ogni fotone. La fedeltà tra gli stati misurati e quelli massimamente entangled è di circa l'81%La tecnica di generazione pulsata ad alta frequenza di ripetizione non è limitata ai risonatori a micro-anello e può essere adottata per altre cavità ottiche, come le guide d'onda a cristalli fotonici, i microdischi e le cavità non lineari del secondo ordine. Con il suo sviluppo, la piattaforma combina tecniche consolidate nelle telecomunicazioni con tecnologie quantistiche per potenziali applicazioni, come comunicazioni sicure ad alta velocità su canali multiplex o operazioni quantistiche ad alta dimensione.