Quantum State Engineering of Light met Continuous-wave optische parametrische oscillatoren

Summary

We beschrijven de betrouwbare generatie van niet-normale toestanden van reizen optische gebieden, waaronder single-photon staten en coherente staat superposities, met behulp van een voorwaardelijke bereidingswijze actief op de niet-klassieke uitgestraalde licht door optische parametrische oscillatoren. Type-I en type-II-fase afgestemd oscillatoren worden beschouwd en gemeenschappelijke procedures, zoals de vereiste frequentie filteren of de high-efficiency quantum state karakterisering door homodyning, zijn gedetailleerd.

Abstract

Engineering van niet-klassieke toestanden van het elektromagnetisch veld is een centrale zoektocht naar quantumoptica ^1,2. Naast hun fundamentele betekenis, dergelijke staten zijn inderdaad de middelen voor de uitvoering van diverse protocollen, variërend van verbeterde metrologie tot quantum communicatie en informatica. Verschillende apparaten kunnen worden gebruikt om niet-klassieke toestanden, zoals alleenstaande emitters, licht materiaal interfaces of niet-lineaire systemen ³ genereren. We richten ons hier op het gebruik van een continuous-wave optische parametrische oscillator ^3,4. Dit systeem is gebaseerd op een niet-lineaire χ ² kristal geplaatst in een optische holte en het is nu bekend als een zeer efficiënte bron van niet-klassieke licht, zoals single-modus of bimodale geperst vacuüm afhankelijk van het kristal phase matching.
Geperst vacuüm is een Gauss staat als de kwadratuur distributies volgen een Gauss-statistiek. Er is echter aangetoond dat aantal protocollen vereisen niet GausSian stelt ^5. Direct het genereren van dergelijke staten is een moeilijke taak en zou sterk χ ³ niet-lineariteiten vereisen. Een andere procedure, probabilistische maar aangekondigd, bestaat uit het gebruik van een-meting geïnduceerde niet-lineariteit via een voorwaardelijke voorbereiding techniek geopereerd Gauss staten. Hier hebben we detail deze generatie protocol voor twee niet-normale staten, de single-foton staat en een superpositie van coherente toestanden, met behulp van twee verschillend fasen afgestemd parametrische oscillatoren als primaire hulpbronnen. Deze techniek maakt het mogelijk bereiken van een high fidelity met de beoogde toestand en de generatie van de staat in een goed gecontroleerde spatiotemporele modus.

Introduction

De mogelijkheid om de quantum toestand van het reizen optische velden ingenieur is een centrale eis voor quantum informatie wetenschap en technologie ^1, met inbegrip van quantum communicatie, informatica en metrologie. Hier bespreken we de bereiding en karakterisering van een aantal specifieke quantummechanische toestanden gebruiken als primaire bron het licht dat door continuous-wave optische parametrische oscillatoren ^3,4 onder de drempel bediend. Concreet zullen twee systemen worden beschouwd - een type II-fase afgestemd OPO en een type-I OPO - waardoor respectievelijk de betrouwbare generatie van aangekondigde single-fotonen en optische coherente staat superposities (CSS), dwz staten van het formulier | α > - |-α>. Deze staten zijn belangrijke middelen voor de uitvoering van een groot aantal quantum informatie protocollen, variërend van lineaire optische kwantumrekenen ⁶ tot optische hybride protocollen ^5,7. Aanzienlijk, de methode p hier kwalijk maakt het verkrijgen van een lage vermenging van vacuüm en de emissie in een goed gecontroleerde spatiotemporele modus.

Algemeen kan kwantumtoestanden worden geclassificeerd als Gaussian staten en niet-normale toestanden volgens de vorm van de quasi-kansverdeling in faseruimte genoemd Wigner functie W (x, p) ^8. Voor niet-normale toestanden, kan het Wigner functie negatieve waarden nemen, een sterke signatuur van niet-classicality. Single-foton of coherente toestand superposities zijn inderdaad niet-normale toestanden.

Een efficiënte procedure voor het genereren van dergelijke toestanden is bekend als de voorwaardelijke bereidingstechniek, wanneer een eerste Gauss bron wordt gecombineerd met een zogenaamde niet-normale meting zoals de fotontellende ^{9,10,11,12,13.} Deze algemene regeling, probabilistische maar aangekondigd, wordt geschetst op figuur 1a.

"Fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg "/>
Figuur 1. (A) Conceptuele regeling van de voorwaardelijke voorbereiding techniek. (B) Voorwaardelijke voorbereiding van single-photon state van orthogonaal gepolariseerde fotonparen (type-II OPO) gescheiden op een polariserende beam splitter. (C) voorwaardelijke voorbereiding van een coherente superpositie toestand door het aftrekken van een enkel-foton uit een geperst vacuüm toestand (type-I OPO).

Door het meten van een wijze van een bipartiete verstrengelde toestand, wordt de andere modus geprojecteerd in een staat die zal afhangen van deze meting en op de eerste verstrikt resource ^12,13.

Wat zijn de vereiste middelen en de verkondiging detector nodig is om de genoemde staten te genereren? Single-foton staten kan worden gegenereerd met behulp van twee stralen, dwz foton-nummer gecorreleerd balken. De detectie van een p-Hoton op een wijze luidt dan het genereren van een enkel-foton anderzijds modus ^9,10,14,15. Een frequentie-gedegenereerde type II OPO ^16,17,18,19 inderdaad een zeer geschikt bron daarvoor. Signaal en rondsel fotonen foton-nummer gecorreleerd en uitgestoten met orthogonale polarisaties. Detecteren een-foton op een polarisatie-modus projecteert de andere in een enkele-foton toestand, zoals getoond in figuur 1b.

Wat coherente superpositie staat, kunnen ze worden gegenereerd door het aftrekken van een enkele-foton uit geperst vacuüm toestand ²⁰ verkregen door gepulste single-pass parametrische neerwaartse conversie ^11,21 of een type I OPO ^22,23. Het aftrekken wordt uitgevoerd door een kleine fractie van het licht tikken op een bundelsplitser en het detecteren van een enkel-foton in deze stand (figuur 1c). Een geperst vacuüm is een superpositie van zelfs foton-nummer staten, dus aftrekken van een single-photon leadseen superpositie van oneven foton-nummer staten, die een high fidelity met een lineaire superpositie van twee coherente toestanden van gelijke en kleine amplitude heeft. Om deze reden heeft de naam 'Schrödinger kitten' soms gegeven aan deze toestand.

De algemene procedure voor het genereren van deze gebieden is dus vergelijkbaar, maar verschilt van de primaire lichtbron. Filtering van de verkondiging pad en detectietechnieken zijn hetzelfde, ongeacht de aard van de OPO gebruikt. De huidige reeks van protocollen detail hoe deze twee niet-normale staten genereren van continuous-wave optische parametrische oscillatoren en hoe ze te karakteriseren met een hoog rendement.

Protocol

1. Optische parametrische oscillator

1. Bouw een 4 cm lang semimonolithic lineaire holte (voor verbeterde mechanische stabiliteit en verminderde intercavitale verliezen). De ingangsspiegel wordt direct aangebracht op een zijde van de niet-lineaire kristal.
2. Kies een ingang koppelaar reflectie 95% voor de pomp bij 532 nm en hoge reflectie van het signaal en rondsel bij 1.064 nm. Omgekeerd, kies de uitgangskoppelaar te sterk reflecterende voor de pomp en van de transmissie T = 10% voor het infrarood. Het vrije spectrale bereik van de OPO gelijk aan Δω = 4,3 GHz en de bandbreedte ongeveer 60 MHz. Maak de holte drievoudig resonante, dwz voor de pomp en voor het omlaag geconverteerde velden.
3. Gebruik een KTP kristal voor het type-II-OPO systeem of een PPKTP kristal voor het type-I OPO. Temperatuur-stabiliseren de kristallen in hun fase matching temperaturen.
4. Gebruik als laserbron een continuous-wave frequentie verdubbelde Nd: YAG laser. Pomp de OPO bij 532 nm en gebruik maken van de ininfraroodstralers licht na ruimtelijke filtering door een hoge-finesse holte (modus werkkracht), een lokale oscillator (LO) voor het homodyne detectie.
5. Het bereiken van de mode-matching tussen de pomp en de holte modus.
6. Blokkeer de holtelengte op de pomp resonantie door de Pound-Drever-Hall-techniek. Hiervoor gelden een 12 MHz elektro-optische modulatie aan de pomp detecteren licht terug-gereflecteerd door de holte met een optische isolator.

2 Voorwaardelijke Bereiding:. Het filteren van de Heralding Pad

1. Scheid de OPO uitgang in twee modi. Een overeen met de afkondiging modus, terwijl de andere is de aangekondigde toestand die wordt gedetecteerd door de homodyne detectie.
2. Leid de verkondiging modus naar de single-foton detector. Specifiek voor het type II OPO, scheiden de orthogonale signaal en leegloper modi door een gepolariseerde bundel splitter (PBS). Voor het type-I OPO, kraan uit een klein deel (3%) van de uitgeperste vacuüm door eenbeam splitter (BS).
3. Filter de verkondiging modus om de frequentie niet-gedegenereerde modi als gevolg van de OPO holte verwijderen. Voor een OPO, de uitvoer bevat inderdaad veel paarsgewijze gecorreleerd maar spectraal gescheiden modi ω ₀ + nΔ _ω en ω _{0-nΔ ω} waarbij n een geheel getal. Een aangekondigde toestand genereren op de draaggolffrequentie, dient te filteren alle van deze niet-gedegenereerde modi.
   1. Gebruik eerst een interferentie filter met een bandbreedte van 0,5 nm.
   2. Voeg een zelfgemaakte lineaire Fabry-Perot cavity met een gratis spectraal bereik van 330 GHz en een bandbreedte van 300 MHz (lengte ongeveer 0,4 mm en finesse rond 1000). De holte bandbreedte is groter gekozen dan die van de OPO en het vrije spectrale bereik groter is dan de frequentie raam van de interferentie filter zijn.
   3. Bereiken algemeen ten minste 25 dB afwijzing van de niet-gedegenereerde modi.
4. Vergrendel de filtering Fabry-Perot holte door de dithering-en-lock techniek.
   1. Daartoe injecteert een achterwaartse teeltmateriaal hulpbundel via een optische schakelaar en verwerpen de ingang van het filter holte door een optische isolator. Detecteren het licht aan de uitgang.
   2. Vergrendelen de holte gedurende 10 msec en start na de meetperiode voor 90 msec met de extra-beam off.
5. Detecteren de gefilterde verkondiging modus door een enkel-foton detector die in de meetperiode. Een supergeleidende enkel-foton-detector (SSPD) wordt gebruikt om de hoeveelheid van ruis (enkele Hz), die anders de betrouwbaarheid van de conditionele staat degraderen beperken.

3. Quantum State Tomografie door homodyne detectietechnieken

1. Detecteer luidde staat met een evenwichtige homodyne detectie bestaat uit een 50/50 bundelsplitser waar het veld te karakteriseren en een sterke continue golf locale oscillator (LO, 6 mW) gebracht te grijpen, en een paar hoge quantum efficiency InGaAs fotodiodes.
2. Om de detectie te lijnen, te injecteren in de OPO holte een heldere hulpbundel bij 1064 nm en mode match deze functie met de LO functie. Het bereiken van een pony zicht dicht bij de eenheid. Elke modus mismatch kwadratisch vertaalt in detectie verliezen.
3. Controleer de homodyne detectie eigenschappen. Met een LO vermogen van 6 mW, het schot lawaai limiet (SNL) plat tot 50 MHz. Het is meer dan 20 dB boven het elektronische ruis bij lage analyse frequentie (MHz), 16 dB boven op de analyse frequentie van 50 MHz. Deze afstand is een kritieke parameter omdat het resulteert in verliezen in de detectie (10 dB (20 dB) afstand vertaalt in een 10% (1%) effectief verlies) ^24.
4. Voor elke detectie gebeurtenis uit de single-foton detector, noteer de homodyne fotostroom met een oscilloscoop met een sampling rate van 5 Gs / sec gedurende 100 ns. Vegen de LO fase met een-PZT gemonteerde spiegel tijdens de meting.
5. Filter elk opgenomen segment met een given tijdelijke mode functie te verkrijgen bij elke succesvolle voorbereiding een kwadratuur waarde van de voorwaardelijke staat. De optimale modus functie voor lage winst is dicht bij een dubbelzijdige exponentiële functie ²⁵ met een verval constante gelijk aan de inverse van de OPO bandbreedte. De optimale modus kan ook worden gevonden met behulp van een eigenfunctie uitbreiding van de autocorrelatiefunctie ^26.
6. Verzamel metingen (50.000 zijn vereist voor de tomografie) en post-proces de gegevens met een maximum-likelihood-algoritme ^27. Deze procedure maakt het mogelijk reconstructie van de dichtheid matrix van de aangekondigde staat en de bijbehorende Wigner functie ^8.

4. Voorwaardelijke Voorbereiding van de Single Photon staat met een Type-II OPO

1. Pomp van het type-II-OPO ver beneden niveau (1 mW hier voor een 80 mW drempel) tot een zeer lage kans op multiphoton paren hebben.

5. Voorwaardelijke Voorbereiding van CoherenteStaat Superposition met een Type-I OPO

1. Controleer de uitgeperste vacuüm gegenereerd door de OPO dicht bij drempel met een spectrum analyzer. De gemeten geluid spectra zijn weergegeven in figuur 3.
2. Bedien de OPO bij een pomp vermogen waardoor observatie van ongeveer 3 dB van knijpen bij lage zijband frequenties (enkele MHz).
3. In de homodyne meting, de fase-informatie is belangrijk voor de fase-afhankelijke staten zoals de CSS staat. Scan de LO fase met een 10 Hz zaagtandgolf met een duty cycle van 90% (overeenkomend met de 90 msec van de meetperiode en 10 msec van locking periode.) Synchroniseer de sweep om ervoor te zorgen dat gedurende de meetperiode, is er een enkele een richting oprit van het PZT-gemonteerde spiegel.
4. Gebruik homodyne signaal naar de variantie meten en afleiden van de fase van de gemeten kwadratuur.

Results

Voor het type-II-OPO en de generatie van high-fidelity single photon staat:
De tomografische reconstructie van de aangekondigde toestand is weergegeven in figuur 2, waarbij de diagonale elementen van de gereconstrueerde dichtheidsmatrix en de bijbehorende Wigner functie weergegeven. Zonder enig verlies correcties, de aangekondigde staat vertoont een enkel-foton component zo hoog als 78%. Door rekening te houden de algemene detectie verlies (15%), de toestand bereikt een betrouwbaarheid van 91% me...

Discussion

De conditionele voorbereiding techniek hier wordt gepresenteerd is altijd een wisselwerking tussen de initiële bipartiete resource en de meting uitgevoerd door de verkondiging detector. Deze twee componenten sterk beïnvloeden de quantum eigenschappen van het gegenereerde staat.

Ten eerste, de zuiverheid van de bereide staten sterk afhankelijk van de een van de eerste middelen, waarmee een 'goed' OPO vereist. Wat is een 'goede' OPO? Het is een apparaat voor de vluchtroute effi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Pump laser	Innolight	Diabolo	Dubbele uitgang, IR en 532 nm
KTP en PPKTP kristal	Raicol		Beschikbaar bij andere leveranciers
Interferentiefilters	Barr associates
Hoge efficiëntie fotodioden	Fermionics		Quantum efficiëntie boven de 97%
Oscilloscoop	Lecroy	Wave runner 610 Zi	Gebruikt voor data acquisitie
Spectrum analyzer	Agilent	N9000A	Beschikbaar bij andere leveranciers
Faraday rotator	Qioptic	FR-1060-5SC	Beschikbaar bij andere leveranciers
PZT	PI	P-016.00H	Beschikbaar bij andere leveranciers
Supergeleidende enkele fotondetectoren	Scontel	SSPD	lage donkere tellen
Optische schakelaar	Thorlabs	OSW12-980E	Beschikbaar bij andere leveranciers