Name: 다중 양자 간섭을 기반으로 무조건 편광 얽힌 광자를 생성하기 위한 포토닉 시스템 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 s
Description: 학습하세요 다중 양자 간섭을 활용한 무조건 편광 얽힌 광자 생성 방법으로, Hong-Ou-Mandel 간섭 과정을 통해 후선택 없이 퇴화 광자 쌍을 효율적으로 분리합니다. 이 기술은 양자 통신 및 양자 컴퓨팅 연구에 활용됩니다.

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이 연구는 일본 광과학 기술 연구 재단의 지원을 받았습니다. 오사다 토모 박사님의 유용한 토론에 감사드립니다.

채택된 절차는 도 2에도시된 전체 실험 설정을 사용하여 네 가지 주요 단계로 구성된다. 첫 번째 단계는 SPDC용 펌프 레이저의 제조였습니다. 제2 단계에서, 광학 간섭계-사냑 간섭계는 비선형 결정 및 광학 편광 성분을 사용하여 시공되었다. 도 3에 도시된 전기 성분을 이용한 우연의 일치 측정 절차는 제3단계에서 기재되었다. 마지막으로, 도 4에 도시된 실제 광자 상관 데이터를 사용하여 생성된 무조건 편광 얽힌 광자의 충실도 및 Bell 파라미터를 추정하는 데 사용되었습니다.
1. 펌프 레이저의 구성
<ol><li>405 nm 격자 안정화 단일 주파수 레이저 다이오드를 켭타보입니다. 레이저 다이오드 및 중립 밀도 필터에 대한 입력 전류를 줄여 출력 전력을 몇 mW로 조정합니다.</li>
	<li>레이저 다이오드의 표면과 홀로그램 격자(3,600mm-1)사이의 외부 캐비티를 구성하여 분광계라고 하는 단일 주파수 작동을 실현합니다. 홀로그램 격자를 레이저 다이오드 표면에 대해 약45o 배치하고 나사를 천천히 움직여 정도를 조정하고 빔의 이미지를 참조하여 캐비티에서 출력 전력을 최대화합니다.</li>
	<li>레이저를 편광 유지 광섬유(PMF)에 결합하여 단일 공간 모드 동작을 실행한다. 파워 미터를 사용하여 PMF의 출력 전력을 최대화하기 위해 섬유 커플러 나사를 조정합니다.</li>
	<li>섬유 커플러 렌즈로 PMF의 출력 레이저를 충돌시면 됩니다. 도 2에나타난 바와 같이 이솔레이터를 통해 출력 레이저를 반파 플레이트(HWP), 쿼터웨이브 플레이트(QWP) 및 쇼트 패스 이색 거울(DM)의 중심으로 채널링합니다. (6)에서와 같이 상태에서 편광 얽힌 광자를 생성하기 위해, HWP를 22.5o로 설정하고 QWP를0o로설정하여대각선(D)으로 펌프 레이저의 편광 상태를 설정한다.</li>
</ol>2. 간섭 측정 설정의 구성
<ol><li>그림 2와같이 이색 거울(DM), 일반 미러, PBS 및 ppKTP 결정치수를 10 mm 길이(결정x-축), 폭 10mm(y축) 및 두께 1mm(z-축)로 배치합니다. PBS는 레이저의 파장(405 nm)과 다운 컨버터블 광자(810 nm)의 파장 모두에서 작동합니다. ppKTP 크리스탈의 폴링 기간은 3.425이며 <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq19.jpg"> 405 nm 레이저 펌프가있는 공선 형 0 SPDC용으로 설계되었으며 두 파장에서 반사 방지 코팅이 가능합니다.</li>
	<li>펌프 레이저(405 nm)와 기준 레이저(810 nm)를 사용하여 PBS 및 거울을 조정한다. 간섭계의 출력에 대한 입력에서 길이가 약 600mm이기 때문에, 공간 모드 매칭을 만들기 위해 600mm 이상 (몇 미터에 바람직) 이상 PBS 병렬에서 전송 및 반사 된 빛을 합니다.</li>
	<li>설정에 HWP1 및 HWP2를 배치합니다. 그들은 405 nm 및 810 nm 파장 모두에서 작동합니다. 표면에서 반사된 빛을 사용하여 입사광에 수직으로 HWP를 조정합니다. HWP1의 각도를45o로 설정하고 HWP2를 22.5o로설정합니다.
</li>
	<li>설정에 역반사를 배치합니다. 시계 방향(CW) 및 시계 반대 방향(CCW) 참조 빔이 동일한 공간 모드에 있도록 역반사기의 위치를 조정합니다. 도 2의 모드 1과 2에 전하 결합 장치(CCD) 카메라를 배치하여 간섭계의 출력에서 빔 프로파일링 이미지를 참조합니다. 미러 및 레트로리 리플렉터를 조정하여 카메라의 프로파일링 이미지를 참조하여 공간 모드가 일치하도록 합니다.</li>
	<li>레이저와 DM용 QWP 사이에 포커스 렌즈를 놓습니다. 간섭계의 입력에서 출력까지의 길이는 약 600mm이기 때문에, 초점 길이가 300mm인 렌즈를 선택한다. 제1 SPDC와 제2 SPDC 사이에 다운 컨버터블 광자의 동일한 레벨 생성 효율을 높이기 위한 두 번째 SPDC의 이온.</li>
	<li>그림 2와같이 CcD 카메라를 제거하고 QWPs, 편광판(POL), 간섭 필터(IF)를 810nm 중심 및 3nm 대역폭을 모드 1 및 2에 배치합니다. 반사된 빛을 사용하여 입사광에 수직이 도록 광학 요소를 조정합니다. 검출을 위해 섬유 커플러를 사용하여 참조 레이저 빔을 멀티 모드 섬유에 결합합니다.</li>
	<li>모드 1과 모드 2에서 DM과 QWP 사이에 300mm 초점 렌즈를 배치합니다. 출력 참조 레이저 빔을 사용하여 감지를 위해 충돌합니다.</li>
	<li>다중 모드 섬유를 실리콘(Si) 눈사태 포토다이오드로 구성된 단일 광자 계수 모듈(SPCM)에 연결합니다. 레퍼런스 레이저를 끕지. 암실 상태에서 SPCM을 켜고 다운 변환된 광자를 계산합니다.</li>
	<li>다운 컨버터블 광자의 개수 속도를 참조하여 온도 컨트롤러에 장착된 ppKTP 크리스탈의 온도를 조정합니다. 적절한 온도는 전형적으로 25-30°C이다.</li>
	<li>HWP1의 기울기 각도를 조정하여 다운 변환된 광자의 개수 속도를 최대화합니다. 개수 속도가 너무 약한 경우 모드 1과 2의 광학 요소 없이 개수를 측정합니다.</li>
</ol>3. 우연의 일치 수의 측정 절차
<ol><li>그림3과 같이 POL 및 QWPs를 사용하여 입사 편광 얽힌 광자를 측정하려면 모드 1 및 2에서 편광 베이스를 선택합니다. H(V) 베이스를 사용하여 입사 광자 측정을 위해 QWP를0o로 설정하고 POL을 0o(90o)로 설정합니다. D(A) 베이스를 사용하여 입사 광자 측정을 위해 QWP를0o로 설정하고 POL을 45o(-45o)로 설정합니다. R(L) 베이스를 사용하여 입사 광자를 측정하려면 QWP를 45o(-45o)로 설정하고 POL을0o로설정합니다.</li>
	<li>SPCM에서 생성된 트랜지스터-트랜지스터 로직(TTL) 신호를 모드 2에서 시간-진폭 컨버터(TAC)의 시작 신호 입력에 연결하고, 1모드의 신호는 전기 지연 라인(Delay)을 통과한 후 정지 신호 입력에 연결합니다. TAC는 두 신호 사이의 시간 지연에 해당하는 0 ~10V의 전기 신호를 생성합니다.<ol>
<li>이 실험에서 지연 라인 핀을 선택하여 시간 지연 ΔT를 50ns로 설정합니다. TAC의 다이얼을 설정하여 PC의 디스플레이를 100ns 타임 범위를 표시하도록 설정합니다. 그런 다음 TAC는 전기 지연 라인에 의해 주어진 50 ns 지연 시간으로 5V 신호를 생성합니다. 따라서 5V 신호는 SPCM에서 오는 실제 펄스의 0 ns 지연 시간의 우연의 일치에 해당합니다. 그림 3과같이 0ns 지연 시간의 우연일치는 표시 시간 범위의 중심에 나타납니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>MAESTRO-32라는 소프트웨어의 시작 버튼을 클릭하여 펄스 높이 분포를 측정하고 컴퓨터 제어(PC) 다중 채널 분석기(MCA)로 분포를 기록합니다. 본 실험에서, 30초 동안 TAC의 측정 시간을 설정한다.</li>
	<li>펄스 높이 분포를 기록한 후, 그림 4와같이 여러 편광 염기의 펄스 높이 분포 데이터를 가져옵니다. 데이터 분석에 대한 일치 수에 대해 고려할 시간 창을 선택합니다. 펄스 피크의 폭은 SPCM의 분해 시간~1ns에 의해 결정되므로, 우연의 일치 시간 창은 분해 시간보다 커야 합니다.<ol>
<li>이 실험에서는 우연의 일치 시간 창을 10ns로 선택합니다. 시간 창의 면적을 통합하여 일치 도수를 추정합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 충실도 및 벨 매개 변수의 추정 절차
<ol><li>편광된 2차 <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq21v2.jpg"> 상관관계와 편광2차 상관관계를 <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq22v2.jpg"> 결정하며, 여기서 <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq23v2.jpg"> 편광 상태 H, D <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq24v2.jpg"> 및 R을 참조하고, 교차 편광 상태 V, A 및 L을 지칭한다. 측정된 우연의 일치 <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq25v2.jpg"> 수를 배경 <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq26v2.jpg"> 수준으로 나누어 함수를 계산합니다. 도 4는 30대의 여러 편광 염반을 가진 우연의 일치 카운트의 실제로 측정된 펄스 높이 분포를 나타낸다. 참고: 예를 들어, 우연일치는 분극 <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq27v2.jpg"> 기반 HH가 일치 창 10ns에 대해 카운트/30초를 제공합니다. 우연의 일치 창에 대한 평균 백 그라운드 레벨은 4.3 카운트/30s로 계산됩니다. 2차 상관관계가 주어지기 <img alt="Equation 28" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq28v2.jpg"> 때문에, 편광 베이스HH를 가진 편광2차 <img alt="Equation 29" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq29v2.jpg"> 상관함수가 된다. 마찬가지로 다른 편광 베이스와 2차 상관 관계 <img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq30v2.jpg"> 함수는 다음과 <img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq31v2.jpg"> <img alt="Equation 32" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq32v2.jpg"> 같이 및 교차 편광 2차 상관 관계 함수로 <img alt="Equation 33" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq33v2.jpg"> 제공됩니다.</li>
	<li>20,21로정의된 3개의 편광 염에 대한 두 광자 간의 편광 상관관계 결정 : <img alt="Equation 34" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq34v2.jpg">(7) 여기서는 <img alt="Equation 35" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq35v2.jpg"> 직선(H 및 V), 대각선(D 및 A) 및 원형(R 및 L) 베이스의 편광 베이스를 나타냅니다. 측정된 2차 상관 관계 함수는 각 편광 베이스의 <img alt="Equation 37" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq37v2.jpg"> 정도를 다음과 같이 제공합니다. <img alt="Equation 36" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq36v2.jpg"> </li>
	<li>생성된 얽힌 광자의 충실도를 결정합니다. 3염기(20,21)의상태(6)에 대하여 편광 얽힌 상태의 충실도를 계산한다. <img alt="Equation 38" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq38v2.jpg"> 편광 상관관계의 측정정도는. <img alt="Equation 39" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq39v2.jpg"> 이 숫자는 0.50의 고전적인 편광 상관 관계 한계를 초과했습니다.</li>
	<li>생성된 얽힌광자(21)의종 파라미터를 확인합니다. 다음과 같이 편광 상관 관계에서 매개 변수를 계산 19,20: <img alt="Equation 40" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq40v2.jpg"> <img alt="Equation 41" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq41v2.jpg"> <img alt="Equation 42" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq42v2.jpg"> 편광 상관관계의 측정기는. <img alt="Equation 43" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq43v2.jpg"> 이 숫자는 2의 고전적인 매개 변수 제한을 초과하고 Bell 부등값을 위반합니다.</li>
</ol>

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<li>Bouwmeester, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+quantum+teleportation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Experimental quantum teleportation.</a> Nature. 390, 575-579 (1997).</li>
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<li>Steinlechner, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+heralding+of+polarization-entangled+photons+from+type-0+and+type-II+spontaneous+parametric+downconversion+in+periodically+poled+KTiOPO4%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Optical+Society+of+America+B%22%5BJournal%5D)">Efficient heralding of polarization-entangled photons from type-0 and type-II spontaneous parametric downconversion in periodically poled KTiOPO4.</a> Journal of the Optical Society of America B. 31, 2068(2014).</li>
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<li>Giovannetti, V., Lloyd, S., Maccone, L., Wong, F. N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clock+synchronization+with+dispersion+cancellation%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Clock synchronization with dispersion cancellation.</a> Physical Review Letters. 87, 117902(2001).</li>
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<li>Mikhailova, Y. M., Volkov, P. A., Fedorov, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biphoton+wave+packets+in+parametric+down-conversion%3A+Spectral+and+temporal+structure+and+degree+of+entanglement%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+A%22%5BJournal%5D)">Biphoton wave packets in parametric down-conversion: Spectral and temporal structure and degree of entanglement.</a> Physical Review A. 78, 062327(2008).</li>
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<li>Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., Kwiat, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photonic+state+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+In+Atomic%2C+Molecular%2C+and+Optical+Physics%22%5BJournal%5D)">Photonic state tomography.</a> Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics. 52, 105-159 (2005).</li>
<li>Hong, C. K., Ou, Z. Y., Mandel, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+subpicosecond+time+intervals+between+two+photons+by+interference%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference.</a> Physical Review Letters. 59, 2044-2046 (1987).</li>
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</ol>

저자는 공개 할 것이 없다.

프로토콜 내에서 중요한 단계는 생성된 편광 얽힌 광자의 충실도를 최대화하는 방법입니다. 추정 된 충실도 및 Bell 매개 변수는 현재 제한되어 있습니다. HWP1의 기울기는 첫 번째 및 두 번째 SPDC의 광자 사이의 공간 모드의 높이 차이에 영향을 미쳤으며 사냑 간섭계의 출력에 공간 모드 불일치를 일으켰습니다. 생성된 제1 및 제2 SPDC 광자의 공간 모드 중첩 영역을 필터링하는 단일 모드 섬유를 사용할 경우 충실도가 더 높아질 것으로 예상됩니다. 더욱이, ppKTP 결정의 버프리링 효과는 제1 및 제2 SPDC 광자 사이의 모드 불일치에 영향을 미쳤다. 미래에는 추가 보상 결정을 사용하여 파라미터를 개선할 수 있습니다.
프로토콜의 중요성은 기존 방법에 대해 동시에 여러 속성을 실현하는 것입니다. 프로토콜과 함께 얽힌 광자의 광원은 높은 방출 속도를 가지며, 퇴화되고, 광대역 분포를 가지며, 선택 후 자유로운다. 프로토콜의 특징적인 장점은 이중 패스 편광 사냑 간섭계를 이용한 다중 양자 간섭을 기반으로 한다. 포토닉 시스템은 편광 얽힌 광자의 큰 생성 효율을 사용하고 사후 선택없이 퇴화된 광자 쌍을 다른 광학 모드로 분리할 수 있게 합니다. 고성능 편광 얽힌 광자 시스템은 새로운 광 양자 정보 기술1,2,3,4에적용 할 수 있습니다.

광자의 얽힌 상태는 양자 암호1,양자 조밀 한 코딩2,양자 중계기3,양자 의 양자 이론및 새로운 응용 분야에서 지역 리얼리즘의 연구에 상당한 관심을 끌고있다 순간 이동4. 자발적파라메트릭 다운 컨버전(SPDC)은 편광 상태에서 얽힌 광자 쌍을 직접 생성하기 위해 도입된 2차 비선형 프로세스입니다. 준위상 매칭 기술의 최근 개발로 인해 주기적으로 폴드된 KTiOPO 4(ppKTP) 및 LiNbO3(ppLN)는 표준 기술5가되었다. 얽힘 소스의 여러 유형은 Sagnac 간섭계6,7,8과이러한 비선형 결정을 결합하여 개발된다. 특히, Type-II SPDC에 의해 얻어진 직교 편광자 쌍을 사용하여 무조건적인 편광 얽힌 광자를 생성하고 퇴화된 편광 얽힌 광자 쌍을 다른 광학으로 분리할 수 있습니다. 사후 선택적 감지없이 모드7.
대조적으로, 타입-0 SPDC는 광자 쌍9의간단한 설정 및 높은 방출 비의 장점을 가지고 있다. 더욱이, 타입-0 SPDC에서 생성된 광자 쌍은 타입-II SPDC의 광자보다 훨씬 더 넓은 대역폭을 보여준다. 단위 펌프 전력당 총 광자 쌍 생산 속도는 큰 대역폭8로인해 두 배 더 높은 크기입니다. 상관 관계가 있는 광자 쌍의 큰 대역폭은 검출된 광자 쌍 사이의 매우 짧은 우연의 시간을 허용합니다. 이 속성은 얽힌 광자(11)및 계측의 플럭스와 비선형 상호 작용을 통해 초단기 적상관을 달성하기위한 양자 광학 일관성 단층 촬영(10)과같은 몇 가지 잠재적 인 응용 프로그램을 주도하고있다 양자 간섭12,양자 클럭 동기화13,시간 주파수 얽힘 측정14,다중 모드 주파수 얽힘15에서매우 좁은 딥을 사용하는 방법. 그러나, 통상의 타입-0 SPDC를 사용하는 방식은 생성된 편광 얽힌광자(16)를분리하기 위해 조건부 검출방식(6) 또는 파장 필터링8 또는 공간 모드 필터링을 필요로 한다.
우리는 다중 양자 간섭 프로세스17을기반으로 type-0과 Type-II SPDC의 특성을 동시에 제공하는 방식을 실현했습니다. 광학 시스템의 세부 사항을 설명하고 실험적으로 최소한의 실험 데이터를 사용하여 생성 된 편광 얽힌 광자를 특성화하는 매개 변수를 측정하는 데 사용되었다.
수평(H) 및 수직(V) 분극 상태의 존스 벡터를 로 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq1.jpg"> 쓸 수 있습니다. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq2.jpg" style="font-size: 14px;"> 가능한 모든 순수 편광 상태는 이 두 편광 상태의 일관된 중첩으로 구성됩니다. 예를 들어 대각선(D), 대각선 방지(A), 오른쪽 원형(R) 및 좌원형(L) 라이트는 각각 다음과 같습니다.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq3.jpg" style="font-size: 14px; opacity: 0.9;">,
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq4.jpg" style="font-size: 14px;">, (1)
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq5.jpg" style="font-size: 14px;">및
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq6.jpg" style="font-size: 14px;">,
H와 V를 직선 편광 염기라고 합니다. D와 A를 대각선 편광 베이스라고 합니다. R 및 L은 원형 편광 염기라고 합니다. 이러한 순수하고 도혼합된 편광 상태는 H-및 V 편광염기(18)에기초한 밀도 매트릭스로 표현될 수 있다.
계획의 작동 원리는 도 1a-e에도시되어 있다. 레이저는 편광 빔 스플리터(PBS), 2개의 반파 플레이트를 45o(HWP1) 및 22.5o(HWP2),ppKTP 결정 및 거울로 구성된 편광 사냑 간섭계에 주입한다. 이 설정이 있는 편광 광학은 펌프 레이저 필드의 파장과 다운 컨버터블 광자 모두에 적합합니다.
펌프 레이저의 H 성분은 그림 1a와 같이 PBS를 통과하고 시계 방향(CW) 방향으로 설정을 왕복합니다. 펌프 레이저의 편광은 HWP2를 통해 대각선(D) 상태로 반전되었다. 여기서 펌프 레이저의 V 성분은 다운 컨페션을 위해 작동하며 생성된 광자는 Type-0 SPDC로 V 편광됩니다. 생성된 광자 쌍의 SPDC 편광 상태는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq7.jpg">.  (2)
다운 변환된 광자 쌍은 그림 1b와같이 HWP1을 통해 45o로 설정된 H 편광이며, 편광 상태는 다음과 같습니다.
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq8.jpg" style="font-size: 14px;">. (3)
펌프 레이저 빔은 다시 뒤집힌 광자 쌍을 ppKTP에 주입했다. 제2 SPDC로부터 생성된 광자 쌍은 도 1c와같이 공선 광학 모드에 대한 제1 SPDC에 의해 생성된 광자 쌍과 함께 V 편광 및 중첩된다. 두 번째 SPDC 이후의 광자 쌍의 편광 상태는 다음과 같이 표시됩니다.
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq9.jpg" style="font-size: 14px;">(4)
여기서는 <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq10.jpg"> 첫 번째 및 두 번째 SPDC에서 광자 쌍 사이의 상대상입니다. 위상은 펌프 레이저와 다운 컨버터블 광자 사이의 HWP1의 재료 분산에 의해 결정되고 HWP1을 기울이면 조정할 수 있기 때문에 시간에 따라 달라지지 않습니다. 다운 변환된 광자의 H(V) 편광 상태는 (1)에 도시된 바와 같이 A(D) 상태로 반전되었다. HWP2에서 출력 광자 쌍의 편광 상태는 다음과 같이 표시됩니다.
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq11.jpg">(5)
HWP1 <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq12.jpg" style="opacity: 0.9;"> 을 기울이면 도 1d와같이 상태(5)의 첫 번째 용어만 유지됩니다. 이는 편광염기(19)의역홍-우-만델(HOM) 간섭 과정에 대응하는 양자 간섭 과정이다. H-광자PBS를 통과하고 V-광자PBS가 PBS에 의해 반사되면, 그림 <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq13.jpg" style="opacity: 0.9;"> 1e와같이 PBS에서 출력 광자 쌍의 편광 상태가 광학 모드1 및 2로 표현된다.
반대로, 펌프 레이저의 V 성분은 도 1f에 도시된 바와 같이 PBS에 의해 반사되었고, 반시계 방향(CCW) 방향으로 트립되었다. 유사한 다중 유형 0 SPDC 프로세스 및 단일 변환을 통해 PBS에서 <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq14.jpg" style="opacity: 0.9;"> 출력의 편광 상태가 됩니다. 펌프 레이저의 편광 상태를 대각선(D) 상태로 제조했을 때, 펌프 레이저의 H-및 V 성분 사이의 상대상은 0이었다. 따라서 CW 및 CCW 방향에서 생성된 광자의 출력 상태는 동일한 진폭으로 중첩되어 다음과 같이 표시됩니다.
<img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq15.jpg">.  (6)
출력 상태는 Bell 상태 중 하나로 알려진 편광 얽힌 상태이며 편광 광학 요소7을사용하여 다른 3개 상태로 변환될 수 있다. (1)에 표시된 관계를 사용하여 <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq16.jpg" style="opacity: 0.9;"> 출력 상태는 다음과 같이 대각선 편광 베이스로 나타낼 수 있습니다.
<img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq17.jpg" style="opacity: 0.9;">및 원형 편광 기지에 의해 : <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq18.jpg" style="opacity: 0.9;"> .

<table><tbody><tr><td>300mm fous 렌즈</td><td>Thorlabs. 주식회사</td><td>AC254-300-B</td><td></td></tr><tr><td>405nm LD</td><td>Digi-Key Electronics</td><td>NV4V31SF-A-ND</td><td></td></tr><tr><td>지연 라인</td><td>Ortec INC.</td><td>DB463</td><td></td></tr><tr><td>이색성 미러 (DM)</td><td>Midwest Optical Systems INC.</td><td>SP650-25.4</td><td></td></tr><tr>405nm <td>Thorlabs</td><td>용 반파 플레이트(HWP).</td> 주식회사<td>WPH05M-405</td><td></td></tr><tr><td>이중 파장용 반파 플레이트(HWP)</td><td>Meadowlark Co.</td><td>DHHM-100-0405/0810?</td><td></td></tr><tr><td>간섭 필터 (IF)</td><td>IDEX Health & Science, LLC</td><td>LL01-808-12.5</td><td></td></tr><tr><td>다중 채널 분석기(MCA)</td><td>Ortec INC.</td><td>EASY-MCA-2K</td><td>MAESTRO-32 소프트웨어</td></tr><tr><td>편광 유지 섬유</td><td>Thorlabs.</td> 주식회사<td>P1-405BPM-FC-1</td><td></td></tr><tr><td>편광판 (POL)</td><td>Meadowlark Co.</td><td></td><td></td>G335743000</tr><tr><td>ppKTP 결정</td><td>RAICOL CRYSTAL LTD.</td><td></td><td>Type-0, 808nm Thorlabs용 3.425미크론 주기</td></tr><tr><td>쿼터파 플레이트(QWP).</td><td></td> 주식회사<td>WPQ05M-808</td><td></td></tr><tr><td>405nm Thorlabs용 쿼터웨이브 플레이트(QWP).</td><td></td> 주식회사<td>WPQ05M-405</td><td></td></tr><tr><td>반사판</td><td>Newport Co.</td><td>U-BER 1-1S</td><td></td></tr><tr><td>단일 광자 계수 모듈(SPCM)</td><td>Laser Cpmponents LTD.</td><td>개수 -100C-FC</td><td>FC 연결</td></tr><tr><td>시간-진폭 변환기(TAC)</td><td>Ortec INC.</td><td>567</td><td></td></tr></tbody></table>의

다중 양자 간섭을 기반으로 무조건 편광 얽힌 광자를 생성하기 위한 포토닉 시스템

A Photonic System for Generating Unconditional Polarization-Entangled Photons Based on Multiple Quantum Interference

우리는 높은 방출 속도, 광대역 분포를 가지고, 퇴화 및 사후 선택이 없는 무조건 편광 얽힌 광자의 고성능 소스를 제시한다. 소스의 특성은 사냑 간섭계의 왕복 구성을 가진 다중 양자 간섭 효과를 기반으로 합니다. 양자 간섭 효과를 통해 분극 얽힌 광자의 높은 생성 효율을 사용하여 파라메트릭 다운 변환을 처리하고 퇴화된 광자 쌍을 사후 선택 없이 다른 광학 모드로 분리할 수 있습니다. 요구 사항. 광학 시스템의 원리는 충실도 및 Bell 파라미터를 측정하고, 또한 최소 6가지 의 편광 상관 데이터 조합으로부터 생성된 편광 얽힌 광자를 특성화하기 위해 설명및 실험적으로 사용되었다. 실험적으로 얻은 충실도 및 Bell 파라미터는 고전적인 국소 상관 관계 한계를 초과했으며 무조건 편광 얽힌 광자의 생성에 대한 명확한 증거입니다.

생성된 광자 쌍의 편광 상관관계에 의해 실험 적 충실도를 추정하기 위한 다중 양자 간섭 및 검출 방식에 기초하여 편광 상태에 대한 무조건 얽힌 광자를 생성하는 광학 시스템이 논의되었다. 생성된 광자의 추정 충실도는 0.50의 고전적인 국부 상관 관계 한계를 초과했습니다. 측정된 Bell 매개변수는 클래식 매개변수 제한 2를 초과하고 Bell 부등값을 위반했습니다. 이 백서에서는 최소 6가지 배합물에서 얻은 우연의 일치 측정을 사용하여 이러한 파라미터를 평가했습니다. 더욱이, 양자 상태 단층 촬영을 통해 생성된 편광 얽힌 광자의 밀도 매트릭스를 완전히 재구성할 수 있으며, 이는 편광 염기18의16가지 조합의 우연의 일치 측정을 필요로 한다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig1.jpg"> 그림 1 : 통합형 더블패스 편광 사냑 간섭계의 회로도. (a)제1 자발적 파라메트릭 다운 변환(SPDC) 후 광자 쌍의 생성. (b)광자 쌍의 편광 회전을 반파 플레이트 (HWP1)로. (c)두 번째 SPDC 이후의 광자 쌍의 생성입니다. (d)HWP2에 의한 제1 및 제2 SPDC의 광자 쌍 간의 양자 간섭. (e)출력 광자 쌍은 시계 방향(CW) 방향으로 생성됩니다. (f)반시계 방향(CCW) 방향으로 생성된 출력 광자 쌍. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig2.jpg"> 그림 2:무조건 편광 얽힌 광자를 생성하기위한 전체 광학 시스템. 제1 반파 플레이트(HWP) 및 쿼터웨이브 플레이트(QWP)는 편광 유지 광섬유(PMF)를 통과하는 펌프 레이저의 편광 상태를 설정하는 데 사용됩니다. 출력 광자는 렌즈, QWPs, 편광판(POL) 및 간섭 필터(IP)를 모드 1과 2로 통과하고 단일 광자 계수 모듈(SPCM)에 의해 감지되었습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig3.jpg"> 그림 3 : 생성된 편광 얽힌 광자를 위한 전반적인 우연의 일치 감지 시스템. SPCM의 전기 신호는 전기 지연 라인(Delay)을 통해 시간-진폭 컨버터(TAC)의 신호를 시작하고 중지하는 데 사용되었다. 시차로부터 얻은 펄스 높이 분포를 컴퓨터 제어(PC) 다중 채널 분석기(MCA)로 분석하였다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig4.jpg"> 그림 4 : 평행 및 직교 편광판 설정으로 시간 차 분포를 측정했습니다. 조합은 수평(H), 수직(V), 대각선(D), 대각선 방지(A), 우원형(R) 및 좌측 원형(L) 편광 염기입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

우리는 생성된 얽힌 광자의 실험 적 충실도를 추정하기 위한 검출 방식과 함께 여러 양자 간섭 효과를 기반으로 무조건 편광 얽힌 광자의 생성을 위한 광학 시스템을 설명합니다.

We present a high-performance source of unconditional polarization-entangled photons that have a high-emission rate, a broadband distribution, are ...

다중 양자 간섭 효과를 활용하여 대형 광대역 분포를 통해 고공배출속도로 편광, 퇴화, 포스트 셀렉션 프리 광자를 생성하는 고성능 포토닉 시스템을 제공합니다. 우리의 접근 방식은 여러 역홍-우만델 간섭 프로세스를 사용하여 고세대 효율성과 퇴화 광자 쌍을 선택 후 없이 다른 광학 모드로 분리하는 양극화 얽힌 광자를 생성합니다. 시작하려면 레이저 다이오드를 켜고 전력을 몇 밀리와트로 설정합니다.레이저 다이오드 표면에 대하여 약 45도 각도로 홀로그램 격자를 하고 빔 강도가 최대화될 때까지 각도를 조정하십시오. 다음으로 레이저를 편광 유지식 광섬유에 결합합니다. 파워 미터로 섬유를 직접 하고, 출력 전력을 최대화하기 위해 커플러 나사를 조정합니다.자유 공간 이솔레이터를 통해 레이저를 직접 전달합니다. 그런 다음, 반파 플레이트와 405나노미터 광을 빔의 경로에 배치한다. 원하는 빔 편광 상태를 달성하기 위해 플레이트 각도를 설정합니다.다음으로, 짧은 패스 이색 거울과 편광 빔 스플리터 큐브를 빔의 경로에 놓습니다. 일반 미러를 사용하여 반사된 편광 빔을 전달된 p-편광 빔과 평행하게 연출합니다. 빔의 경로에 장착된 온도 제어 플랫폼에 0형 ppKTP 크리스탈을 배치합니다.분할 빔이 크리스탈을 통과할 때까지 플랫폼을 조정합니다. 그런 다음 s 및 p 편광 빔이 몇 미터 동안 평행할 때까지 빔 스플리터와 미러를 조정합니다. 이 조정을 위해 405 나노미터 펌프 레이저와 810 나노미터 기준 레이저를 모두 사용하십시오.다음으로, 사건 광에 수직으로 ppKTP 결정의 양쪽에 이중 파 반파 플레이트를 장착합니다. 빔 스플리터와 크리스탈 사이의 하프 웨이브 플레이트는 22.5도, 다른 플레이트는 45도로 미리 설정되었습니다. 그런 다음, 셋업 끝에 레트로리플렉터를 배치하여 ppKTP 크리스탈과 22.5도 하프 웨이브 플레이트를 통해 다운 변환된 빔을 다시 지시한다.45도 하프웨이브 플레이트를 배치하여 빔 스플리터에서 반사되는 인바운드 빔과 다른 쪽에서 아웃바운드 빔만 통과할 수 있도록 합니다. 두 아웃바운드 빔이 시계 방향및 반시계 방향 광자 빔을 생성하기 위해 빔 스플리터로 향하도록 합니다. 출력 광자 빔과 함께 CCD 카메라 빔 프로파일러를 인라인으로 배치합니다.시계 방향 및 시계 반대 방향 빔 쌍이 동일한 공간 모드에 있도록 거울과 레트로 리플렉터를 조정합니다. 그런 다음 분기 파 판과 이질 거울 사이에 300mm 초점 렌즈를 장착합니다. 펌프 레이저 빔의 초점이 ppKTP 크리스탈에서 제2 광자 다운 변환의 생성 위치 주위에 있도록 렌즈를 배치합니다.빔 프로파일러를 제거하고 분기 파 플레이트, 와이어 그리드 편광기 및 간섭 필터를 각 출력 빔의 경로에 배치합니다. 광선을 다중 모드 섬유에 콜리메이터 렌즈로 결합합니다. 각 분기 파 플레이트 앞에 300mm 초점 렌즈를 놓고 출력 빔을 콜리메이터에 집중합니다.그런 다음 멀티 모드 섬유를 실리콘 눈사태 포토다이오드를 사용하는 단일 광자 계수 모듈에 연결합니다. 설치가 완전히 조립되면 참조 레이저를 끄고 다이오드 레이저를 다시 연결합니다. 방 조명을 끄고 모든 외부 표시등을 제외합니다.그런 다음 계수 모듈을 켜고 다운 변환된 광자를 계산합니다. 이어서, ppKTP 결정의 온도와 45도 하프웨이브 플레이트의 기울기 각도를 조정하여 다운 변환된 광자의 개수를 개선한다. 카운트 속도가 최대화될 때까지 측정 및 조정을 반복합니다.측정하기 전에 출력 빔에 대한 분기 파 플레이트 및 편광자의 각도를 설정하여 측정을 위해 원하는 편광 베이스를 달성합니다. 그런 다음, 디크로이크 미러에서 반사된 출력 빔의 단일 광자 계수 모듈을 시간-진폭 컨버터의 시작 신호 입력에 연결한다. 전기 지연 선을 통해 다른 빔을 정지 신호 입력에 연결합니다.지연 시간을 50나노초로 설정하고 표시된 시간 범위를 100나노초로 설정합니다. 계측기 소프트웨어를 열고 측정 시간을 30초로 설정하고 측정을 시작합니다. 측정이 완료되면 펄스 높이 분포를 기록합니다.여러 편광 기본 조합으로 측정을 반복하고 계수 모듈의 시간적 해상도에 따라 우연의 일치 시간 창을 식별합니다. 각 측정에 대해 우연의 일치 시간 창 내에서 피크 아래에 영역을 통합하여 일치 횟수를 추정합니다. 충실도 및 벨 매개변수를 계산하여 시스템이 편광에 얽힌 광자를 생성하고 있는지 확인합니다.편광 기지의 6가지 조합으로부터 우연의 감지 측정을 분석한 결과, 시스템이 편광에 얽힌 광자를 생성하고 감지할 수 있음을 확인했습니다. 얽힘 충실도는 0.85로, 고전 적 상관 관계 한도인 0.5를 초과했습니다. 편광 기의 상관관계는 모두 벨 불평등을 위반하여 2개의 고전적인 매개 변수 제한을 초과했습니다.당사의 방법을 통해 퇴화 광자 쌍을 유형-2 자발적 파라메트릭 다운 변환의 특징인 다양한 광학 모드로 분리하는 동시에 유형 제로 자발적 파라메트릭 다운 변환의 큰 대역폭과 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 이러한 방법은 여러 양자 간섭 공정을 사용하는 것이 자발적인 파라메트릭 다운 변환의 자극방출을 통해 얽힌 광자를 적용하는 데도 유용하다. 우리의 계획의 단순성으로 인해, 우리는 더 비선형 결정에서 펄스 레이저 펌핑 및 파가이드 구조를 수정하여 편광 얽힌 광자 생성 효율을 향상시킬 수 있습니다.우리는 또한 결정의 폴링 기간을 변경하여 이론파장 대역에서 광자를 생성할 수 있다. 당사의 기술은 유형 제로 자발적 파라메트릭 다운 변환의 큰 대역폭으로 인해 단위 펌프 전력당 총 광자 쌍의 생산 속도를 2~3배 향상시킵니다. 상관 관계가 있는 광자 쌍의 큰 대역폭은 매우 짧은 우연의 일치 시간을 제공하며, 이는 양자 광학 일관성 단층 촬영 및 기타 많은 응용 분야에서 사용하기 위해 상당한 관심을 끌었습니다.

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연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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