連続波光パラメトリック発振器の光の量子状態エンジニアリング

Summary

私たちは、光パラメトリック発振器により放出された非古典光で動作条件調製方法を使用して、単一光子状態とコヒーレント状態の重ね合わせなどの光学分野を、走行非ガウス状態の信頼性の生成を説明します。タイプIとタイプIIの位相整合発振器を考慮し、このような必要な周波数フィルタリングまたはホモダイニングによる高効率量子状態の特性評価などの一般的な手順は、詳述されている。

Abstract

電磁界の非古典状態をエンジニアリングすることは量子光学^1,2の中心的な探求である。その基本的な意味を超えて、このような状態が強化された計測から量子通信とコンピューティングに至るまで、実に様々なプロトコルを実装するためのリソースです。様々なデバイスには、単一エミッタ、光-物質界面または非線形システム³のような非古典的な状態を生成することができる。我々は、連続波光パラメトリック発振器^3,4の使用にここに焦点を当てる。このシステムは、光学キャビティの内部に挿入された非直線状の^χ2結晶に基づいており、現在ではこのようなシングルモードまたは結晶に応じて2つのモード圧搾真空などの非古典光の非常に効率的な供給源としてよく知られている位相整合。
その直角分布はガウス統計に従うように絞った真空はガウス状態です。しかしながら、プロトコルの数は、非ガウスを必要とすることが示されているシャン状態^5。直接そのような状態を生成することは困難な作業であり、強力な^χ3非線形性を必要とする。しかし、確率予告別の手順は、ガウスの状態で動作条件付き調製技術を介して測定誘発非線形性を使用することにある。主なリソースとして異なる2つの位相整合パラメトリック発振器を使用してここでは、二つの非ガウス状態の詳細この世代プロトコル、単一光子状態とコヒーレント状態の重ね合わせ、。この手法は、十分に制御された時空間モードでのターゲットの状態と状態の発生に高忠実度の達成を可能にします。

Introduction

光学場を走行量子状態を設計する能力は、量子通信、コンピューティング、度量衡などの量子情報科学技術^1、の中心的な要件です。ここでは、一次リソースとして閾値未満で動作連続波光パラメトリック発振器^3,4からの光を用いて、いくつかの特定の量子状態の調製および特徴について議論する。具体的には、2つのシステムが考慮されます-タイプII位相整合OPOおよびI型OPO -それぞれ予告単一光子の信頼性の生成を可能にし、光コヒーレント状態の重ね合わせ（CSS）、形、すなわち状態の|α > - |-α>。これらの状態は、非線形光学量子計算⁶から光ハイブリッドプロトコル^5,7に至るまで、量子情報のさまざまなプロトコルを実装するための重要な資源である。重要なことは、メソッドのP十分に制御された時空間モードに真空および放出の低い混合物を得ることが可能ここに憤慨。

一般的に言えば、量子状態は、ウィグナー関数W（x、p）は⁸と呼ばれる位相空間における準確率分布の形状に応じてガウシアン状態及び非ガウス状態として分類することができる。非ガウス状態の場合は、ウィグナー関数は、非古典的特質の強い署名を負の値を取ることができます。単一光子またはコヒーレント状態の重ね合わせは、確かに非ガウス状態です。

そのような状態を生成するための効率的な手順は、初期ガウスリソースがそのような光子計数^{9,10,11,12,13}などのいわゆる非ガウス測定と組み合わされる、条件付き調製技術として知られている。しかし、確率予告この一般的スキームは、 図1aに描かれている。

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図1（A）、条件付き調製技術の概念図式。 （b）は、直交偏光子対（タイプ-IIのOPO）からの単一光子状態の条件付き調製は、偏光ビームスプリッタで分離した。圧搾真空状態から単一光子を減算することにより、コヒーレント状態の重ね合わせ（c）の条件付き調製（I型OPO）。

二部エンタングル状態の1モードを測定することで、他のモードは、この測定値に基づいて初期もつれリソース^12,13に依存した状態に突出している。

上記の状態を生成するために必要な必要なリソースと告げる検出器は何ですか？単一光子状態は、ツインビームを用いて生成することができる、 すなわち、光子数が相関梁。シングルPの検出1モードでのhotonは、他のモード^9,10,14,15上の単一光子の生成を告げる。周波数縮退タイプII OPO ^{16,17,18,19は}確かに、この目的に最適のソースです。信号とアイドラー光子は光子の数と相関し、直交偏光を出射する。 図1bに示すように、1つの偏光モードで単一光子を検出することは、単一光子状態にし他方を投影する。

コヒーレント状態の重ね合わせについては、それらは、パルス状のシングルパス^11,21によるパラメトリック下方変換又はタイプI OPO ^22,23のいずれかによって得られた搾汁真空状態²⁰から単一光子を減算することによって生成することができる。減算は、ビームスプリッタでの光のごく一部をタップすると、このモード（ 図1c）、単一光子を検出することにより行われる。スクイーズ真空は、このように単一光子リードを減算しても光子数状態の重ね合わせである等しく、小振幅の2つのコヒーレント状態の線形重ね合わせで高い忠実度を持つ奇数光子数状態の重ね合わせに。このような理由から、名前を 'シュレーディンガーの子猫は「時々、この状態が注目されている。

これらの状態を生成するための一般的な手順は、このように類似しているが、一次光源によって異なる。先触れパスおよび検出技術のフィルタリングは、OPOのタイプが使用されどのような同じです。連続波光パラメトリック発振器からこれら二つの非ガウス状態を生成する方法を、高効率でそれらを特徴付けるためにどのようなプロトコルの詳細画面の本シリーズ。

Protocol

1。光パラメトリック発振器

1. （改良された機械的安定性と減少内損失のための）長さ4cm semimonolithic線形空洞を構築する。入力ミラーを直接非線形​​結晶の一方の面に塗布される。
2. 1064 nmの信号とアイドラ用の532 nmおよび高反射でポンプの95％の入力カプラ反射を選択​​します。逆に、ポンプ用と赤外線用= 10％、透過率Tの高度に反射する出力カプラを選択します。 OPOの自由スペクトル範囲は、Δω= 4.3 GHzのに等しく、帯域幅は約60 MHzです。 すなわちポンプのダウンコンバートフィールドの、空洞が三重共鳴してください。
3. タイプII OPOシステムやI型OPO用PPKTP結晶のKTP結晶を使用してください。その位相整合温度で結晶を、温度安定化させる。
4. レーザ光源として使用する連続波周波数倍増のNd：YAGレーザである。 532 nmでOPOポンプやインを使用するホモダイン検出のための局部発振器（LO）として、高フィネス共振器（モードクリーナー）による空間フィルタリングの後、光frared。
5. ポンプと共振器モードとの間にモード整合を達成。
6. パウンド - ド·ホール技術によってポンプ共鳴上の共振器長をロックします。この目的のために、ポンプに12MHzの電気光学変調を適用し、光アイソレータを有するキャビティから後方反射された光を検出する。

2条件付き製造：告げるパスのフィルタリング

1. 2モードにOPO出力を分離する。他方はホモダイン検出によって検出される予告状態である間Oneは、告げるモードに対応する。
2. 単一光子検出器に向かって告げるモードを導く。具体的には、タイプII OPOのために、偏光ビームスプリッタ（PBS）で直交信号とアイドラモードを分離する。タイプI OPO等によって絞ら真空のごく一部（3％）をタップするビームスプリッター（BS）。
3. OPOキャビティによる周波数非縮退モードを削除するに告げるモードをフィルタリングします。 OPOの場合、出力は確かに多くのペアごとの相関関係が、スペクトル的に分離モード、ωが含まれている_{0 +Nδω、ωn}は整数_0-Nδω。キャリア周波数で予告状態を生成するために、これらの非縮退モードの全てを除外することが必要である。
   1. 0.5nmの帯域幅を持つ最初の干渉フィルタを使用します。
   2. 330ギガヘルツの自由スペクトル領域および300 MHzの（千の周りに0.4ミリメートルとフィネスの周りの長さ）の帯域幅を持つ自家製リニアファブリ·ペロー共振器を追加します。キャビティ帯域幅は、OPOの一方干渉フィルタの周波数窓よりも大きくする自由スペクトル領域よりも大きくなるように選択される。
   3. 非縮退モードの少なくとも全体の25デシベル除去を実現。
4. フィルタリングファブリをロックするディザ·アンド·ロック技術によりペロー共振器。
   1. この目的のために、光スイッチを介して後方に伝播する補助ビームを注入し、光アイソレータによるフィルタリングキャビティの入口にそれを拒絶する。出力で光を検出する。
   2. 10ミリ秒の間に空洞をロックし、補助線をオフにして90ミリ秒の測定期間の後に開始します。
5. 測定期間中に単一光子検出器によって濾過告げるモードを検出する。超伝導単一光子検出器（SSPD）は、そうでなければ、条件状態の忠実度を低下させるであろうダークノイズ（数Hz）の量を制限するために使用される。

ホモダイン検出による3。量子状態トモグラフィー

1. 特徴づけるために磁界の強い連続波局部発振器（LO、6ミリワット）を干渉させられる50/50ビームスプリッタ、及び高量子effは一対からなる平衡ホモダイン検出で予告状態を検出iciencyのInGaAsフォトダイオード。
2. 検出を位置合わせするために、LOモードに1064nmのモードが一致し、このモードではOPO空洞内に明るい補助ビームを注入する。 1に近い縞の可視性を実現しています。いずれのモードの不一致が二次検出の損失につながります。
3. ホモダイン検出特性を確認してください。 6メガワットのLOパワーで、ショット雑音限界（SNL）は、50 MHzまで平坦である。それは、低解析周波数（MHz）での電子ノイズより上の50MHzの解析周波数で上記16デシベル以上20デシベルです。それが（10デシベル（20デシベル）の距離は10パーセント（1％）効果的な損失につながる^）24検出の損失につながりますので、この距離は重要なパラメータである。
4. 単一光子検出器からのすべての検出イベントの場合は、100ナノ秒の間に5 Gサンプル/秒のサンプリングレートを持つオシロスコープでホモダイン光電流を記録します。測定中に、PZTに取り付けられたミラーとLO位相スイープ。
5. GIで記録された各セグメントをフィルタリング成功するたびに調製時の条件付き状態の単一積分値を得るために、一時的なモード機能をVEN。低ゲインに最適なモード機能は、OPOの帯域幅の逆数に等しい減衰定数との両面指数関数²⁵に近接しています。最適モードはまた、自己相関関数²⁶の固有関数展開を用いて求めることができる。
6. 最尤アルゴリズム²⁷での測定値（50,000断層撮影のために必要とされる）と、後工程のデータを蓄積する。この手順は、予告状態の密度行列と対応するウィグナー関数⁸の再構築を可能にします。

タイプII OPOとの単一光子状態の4。条件の準備

1. 多光子ペアの非常に低い確率を持つことがはるかにしきい値以下のタイプII OPO（80 mWのしきい値はこちら1 MW）をポンプ。

コヒーレントの5。条件付き準備タイプI OPOとの状態重畳

1. スペクトラムアナライザとのしきい値に近いOPOによって生成されたスクイーズ真空を確認してください。測定された雑音スペクトルを図3に示す。
2. 低側波帯周波数（数MHz）で絞りの約3デシベルの観察を可能にするポンプパワーでOPOを運営しています。
3. ホモダイン測定では、位相情報は、CSS状態として位相依存性状態のために重要である。 （測定期間の90ミリ秒とロック期間の10ミリ秒に相当する。）90％のデューティサイクルで10 Hzのノコギリ波とLO位相をスキャンし、測定期間中に、単独で存在することを確認するためにスイープを同期するPZTに取り付けられたミラーの1方向の掃引。
4. 分散を測定し、測定された直交位相を推定するホモダイン信号を使用してください。

Results

タイプII OPOおよび高忠実度の単一光子状態の生成のために：
予告状態の断層再構成は、再構成された密度行列および対応するウィグナー関数の対角要素が表示され、 図2に示されている。損失補正することなく、予告状態が78％と高い単一光子成分を示す。考慮全体の検出損失（15％）を取ることによって、状態が単一光子状態の忠実度91％に達する。ダウンコンバージョンプロセスによって生成多光子対から生じる二光子成分は、3％に制限される。

タイプI OPOとCSSの状態を生成するための：
タイプI OPOのしきい値は約50ミリワットである。強い圧迫を観察するために、我々は、 すなわち 40ミリワットのポンプパワーを持つと、5MHzの解析周波数で、しきい値に近い測定を実行する。 図3a、トンに示すように、彼は（検出損失と電子ノイズを補正した場合に任意の修正なしに、16±1デシベル）スクイズはショットノイズに-10.5±0.5 dBの相対測定し、抗絞りは19±0.5 dBです。 40ミリワットと5ミリワ...

Discussion

ここに提示され、条件付き調製技術は、いつも最初の二部リソースと告げる検出器による測定の間の相互作用である。これらの2つの成分​​が強く生成された状態の量子的特性に影響を与える。

まず、準備された状態の純度が強く、そのため「良い」、OPOが必要とされる初期リソースの1に依存している。 「良い」OPOとは何ですか？これは、エスケープ効率ηが1に近いされているデバイスです。パラメータηは、出力カプラ、Tの伝達の割合、およびこの送信の和（結晶中の散乱や吸収から来る）共振器内損失、L + Tで与えられ、与えられたLの場合、出力の送信は、この送信を二次的に増加し、しきい値を犠牲にして、増加させるべきである。エスケープ効率が直接obtai可能スクイズの最大量を定義するしきい値NED近い。ここで、エスケープ効率がOPO両方について約96％である。条件付き調製のためには、OPOは、高純度を保証するために遠くのしきい値から運営されています。

もう一つの要因は告げる単一光子検出から来ている。まず第一に、現在の単一光子検出器は、主にオン/オフに少なく...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ポンプレーザー	Innolight	Diabolo	デュアル出力、IRおよび532 nm
KTPおよびPPKTP結晶	ライコール		他のベンダーから入手可能
干渉フィルター	バールは、
フォトダイオード	フェルミオニクス		量子効率 97%
以上のオシロスコープ	Lecroy	Wave runner 610 Zi	データ収集に使用
スペクトル分析装置	Agilent	N9000A	他のベンダーから入手可能
ファラデー回転子	Qioptic	FR-1060-5SC	他のベンダーから入手可能
PZT	PI	P-016.00H	他のベンダーから入手可能
超伝導単一光子検出器	Scontel	SSPD	ローダークカウント光
スイッチ			他のベンダーから入手可能