世代とパルスの量子周波数コムのコヒーレント制御

このプロトコルの全体的な目標は、量子情報処理に使用できるパルス量子周波数コムを生成し、コヒーレントに制御することです。この手法は、量子力学の根本的な研究や、量子通信や情報処理などの非古典的技術を実現するためのツールを提供するのに役立ちます。この手法の主な利点は、確立された通信コンポーネントとプロトコルを使用して、再構成可能でスケーラブルな方法で複雑な光量子状態を生成および制御できることです。

このアイデアは、通信処理の専門家である同僚のホセ・アザナと話し合ったときに思いつき、これらのツールを量子オブジェクトの世界に転用できることに気づきました。システムのコンポーネントを光学テーブルにセットアップします。このシステムには、生成、制御、および処理のステージがあります。

この描写は、概要を示しています。すべての素子は偏光保持光ファイバで接続されています。ここでは、生成段階に焦点を当てます。

このステージは、より大きな外部キャビティに埋め込まれたオンチップマイクロリング共振器を備えています。外部キャビティは、信号発生器、アイソレータ、および光利得を提供するエルビウムドープファイバ増幅器によって駆動される電気光学振幅変調器でできています。単一の微小共振共振を選択するパスバンドを備えた狭いフィルターと、生成された光子を制御セクションにルーティングするノッチフィルターがあります。

キャビティを切断した状態で、エルビウムドープファイバー増幅器を開始します。振幅変調器の後に光パワーメーターを使用して、送信電力を測定します。変調器では、電源を使用してDCオフセットを適用し、送信電力を確保します。

キャビティを再接続し、高速フォトダイオードを別のリングポートに挿入します。オシロスコープを使用して、時間領域で信号を観測します。変調器がアクティブにならないと、出力は低品質のパルス列で不安定なパルス動作を示します。

振幅変調器に戻り、関数発生器を接続します。ジェネレータの出力周波数を、おおよその外部キャビティモード間隔の倍数に設定します。矩形波または正弦波を選択し、ファンクションジェネレータをオンにします。

ファンクション・ジェネレータの周波数とDCオフセットを調整して、オシロスコープのパルス列を最適化し、安定させます。ゲインを手動で調整して、パルス強度を設定します。リング共振器内の非線形4波混合プロセスにより、信号とアイドラー光子のペアが作成され、ノッチフィルターで外部共振器が残ります。

ファンクションジェネレータからの同期信号をタイミング電子機器に接続します。このパルス量子周波数コムの生成速度は、変調器を外部共振器周波数間隔の高調波を駆動することにより増加させることができ、したがって、高調波モードロックマシンに入ることができます。次に、パルスあたりの電力を同じにするために、アンプのゲインも増加させる必要があります。

生成段階でノッチフィルターを行った後、もつれた光子は制御段階に入ります。そこで、順番に、プログラム可能なフィルタ、位相変調器、および2番目のプログラム可能なフィルタに遭遇します。まず、フィルターをプログラムします。

目的の周波数モードチャンネルの振幅を設定し、他のチャンネルを減衰させます。同様に、目的の位相マスクを決定します。これは、フィルターごとに行います。

この画像は、偶然の一致測定の振幅と位相を表しています。位相変調器を準備するには、信号発生器をRFアンプに低損失ケーブルで接続します。次に、RFを接続します amplifier位相変調器に

すべてのRFエンドが接続されて終端されたら、アンプにバイアスをかけます。RF信号発生器を設定して、目的の周波数モードとオーバーラップする側波帯を作成し、オンにします。テストとして、位相変調器を介して連続波レーザービームを送信するようにシステムを設定します。

光スペクトラムアナライザを使用して、入力スペクトラムが実験の意図した変調に対応する出力スペクトラムを生成することを確認します。続行するには、位相変調器をプログラム可能なフィルターに接続します。位相変調パターンを設定するときは、選択した動作の目標周波数側波帯を作成するパターンを決定することが重要です。

これは、使用される量子状態の次元と微小共振器の共振間隔に依存します。生成段階からの光子ペアは、制御段階に入ります。最初のフィルタは、プログラムされた振幅と位相を設定します。

次に、位相変調器は必要な周波数側波帯を作成します。2 番目のフィルターは、信号とアイドラーのペアを選択します。処理ステージへの入力時に、絡み合った光子を高密度の波長分割マルチプレクサで分離します。

そこから、それぞれが単一光子検出器に進みます。一致測定用に設定されたタイミングエレクトロニクスを使用して、各光子の到着時間を記録します。このセットアップにより、フォトンの状態をコヒーレントに制御できます。

ここでは、周波数側波帯は位相変調によって生成されます。側波帯の間隔と振幅は、変調信号によって決まります。光子状態のコヒーレント制御は、量子状態トモグラフィーに使用できます。

これは、各光子の次元が 3 の 2 光子システムの状態密度行列の再構成の例です。測定された状態と最大的にもつれた状態との間の忠実度は約81%パルス高繰り返し率生成技術は、マイクロリング共振器に限定されず、フォトニック結晶導波路、マイクロディスク、および2次非線形共振器などの他の光共振器に採用される場合があります。このプラットフォームは、その開発により、電気通信で確立された技術と量子技術を組み合わせて、マルチプレックスチャネルを介した高速の安全な通信や高次元の量子演算などの潜在的なアプリケーションに向けています。