Methodenartikel

Generatie en coherente controle van gepulste Quantum frequentie kammen

9.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/57517

⸱

8 juni 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institut National de la Recherche Scientifique - Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications (INRS-EMT), 2School of Engineering, University of Glasgow, 3Department of Energy, Information Engineering and Mathematical Models, University of Palermo, 4School of Mathematical and Physical Sciences, University of Sussex, 5Department of Physics and Material Science, City University of Hong Kong, 6State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Science, 7Centre for Micro Photonics, Swinburne University of Technology, 8Institute of Photonics, Department of Physics, University of Strathclyde, 9Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, 10National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Een protocol wordt gepresenteerd voor de praktische generatie en coherente manipulatie van hoge-dimensionale frequentie-bin verstrikt foton toestanden met behulp van geïntegreerde micro-holten en standaard telecommunicatie onderdelen, respectievelijk.

Samenvatting

Presenteren we een methode voor het genereren en coherente manipulatie van gepulste quantum frequentie kammen. Tot nu toe, zijn methoden van de voorbereiding van high-dimensionale Staten op de chip op een praktische manier ongrijpbaar als gevolg van de toenemende complexiteit van de quantum-circuits die nodig is voor bereiding of bewerking van dergelijke staten gebleven. Hier, we schetsen hoe hoge-dimensionale, frequentie-bin verstrikt, twee-foton-Staten kunnen worden gegenereerd in een stabiele, hoge generatie-tempo met behulp van een genest-Holte, actief modus-locked excitatie van een niet-lineaire micro-spouw. Deze techniek wordt gebruikt voor de productie van gepulste quantum frequentie kammen. Bovendien presenteren wij onze hoe de kwantumtoestanden coherente wijze kan worden gemanipuleerd met behulp van standaard telecommunicatie componenten zoals programmeerbare filters en electro-optic modulatoren. In het bijzonder tonen we in detail hoe te bereiken staat karakterisering metingen zoals dichtheid matrix wederopbouw, toeval detectie en bepaling van één foton spectrum. De gepresenteerde methoden vormen een toegankelijk, herconfigureerbare en schaalbare basis voor complexe high-dimensionale staat voorbereiding en manipulatie protocollen in het frequentiedomein.

Inleiding

De controle van quantum verschijnselen opent de mogelijkheid voor nieuwe toepassingen op terreinen zo divers als veilige quantum communicatie1, krachtige quantum informatieverwerking2en quantum sensing3. Terwijl een verscheidenheid van fysieke platforms zijn actief voor de realisaties van quantum technologieën4wordt onderzocht, zijn optische kwantumtoestanden belangrijke kandidaten, als zij keer lange samenhang en stabiliteit van externe ruis, uitstekende vertonen kunnen transmissie-eigenschappen, evenals compatibiliteit met bestaande telecommunicatie en silicium chip (CMOS) technologieën.

Naar het volledig realiseren van het potentieel van fotonen voor quantum technologieën, kan staat complexiteit en informatie-inhoud worden verhoogd door het gebruik van meerdere verwarde partijen en/of high-dimensionaliteit. De generatie van de op de chip van dergelijke optische Staten mist echter praktisch als opstellingen ingewikkeld, niet perfect schaalbaar zijn en/of zeer gespecialiseerde componenten gebruiken. In het bijzonder hoge-dimensionale pad-entanglement vereist figure-introduction-1 coherente opgewonden identiek bronnen en uitgebreide circuits van beam-splitters5 (waar figure-introduction-2 is de staat dimensionaliteit), terwijl de tijd-entanglement moet complex Multi arm interferometer6. Opmerkelijk is het frequentie-domein is geschikt voor schaalbare generatie en beheersing van complexe staten, zoals blijkt uit de recente exploitatie in quantum frequentie kammen (QFC)7,8 met behulp van een combinatie van geïntegreerde optica en telecommunicatie-infrastructuren9, en een veelbelovende kader voorziet in toekomstige quantum informatietechnologieën.

Op de chip QFCs worden gegenereerd met behulp van niet-lineaire optische effecten in geïntegreerde micro-Holten. Met behulp van deze een niet-lineaire micro-resonator, worden twee verstrikt fotonen (bekend als signaal en niet aangedreven) geproduceerd door spontane vier-Golf mengen, via de vernietiging van twee excitatie fotonen - met de daaruit voortvloeiende paar gegenereerd in een superpositie van de holte van gelijkmatig resonant frequentie modi (Figuur 1). Als er samenhang is tussen de modi voor individuele frequentie, is een frequentie-bin verstrikt staat gevormde10, die vaak wordt aangeduid als een twee foton modus-vergrendeld staat11. Deze staat golf-functie kan worden beschreven,

figure-introduction-3

Hier, figure-introduction-4 en figure-introduction-5 zijn de single-frequentie-mode niet aangedreven en signaal onderdelen, respectievelijk, en figure-introduction-6 is de amplitude van de waarschijnlijkheid voor het figure-introduction-7 -th modus van de signaal-niet aangedreven paar.

Eerdere demonstraties van op-Spaander QFCs markeren hun veelzijdigheid als levensvatbare quantum informatie platforms, en omvatten kammen van gecorreleerde fotonen12, kruis-gepolariseerde fotonen13, verstrikt fotonen14,15 , 16, multi foton Staten15, en frequentie-bin verstrikt Staten9,17. Hier, wij bieden een gedetailleerd overzicht van het QFC platform en een protocol voor hoge-dimensionale frequentie-bin verstrikt optische staat generatie en controle.

Toekomstige quantum toepassingen, vooral die worden geïnterfacet met high-speed elektronica (voor tijdige informatieverwerking), eisen de generatie van de hoge-snelheid van hoge zuiverheid foton Staten in een compacte en stabiele setup. We gebruiken een regeling actief modus-vergrendeld, geneste holte QFCs om binnen te komen de telecommunicatie L, S en C beschikbaar te stellen frequentiebanden Een micro-ring is opgenomen in een grotere gepulste laser Holte, met optische winst (verstrekt door een erbium doped vezel versterker, EDFA) gefilterd zodat deze overeenkomen met de micro-ring excitatie bandbreedte18. Modus-vergrendeling wordt actief via electro-optic modulatie van de holte verliezen19gerealiseerd. Een isolator zorgt ervoor dat puls propagatie een en dezelfde richting volgt. De resulterende pulse trein heeft zeer lage root mean square (RMS) ruis en vertoont afstembare herhaling tarieven en pulse bevoegdheden. Een hoge isolatie notch filter scheidt de uitgestoten QFC fotonen uit de excitatie-veld. Deze interne fotonen worden dan begeleid door vezels voor controle en detectie.

Onze regeling is een stap in de richting een generatie-hoog, kleine voetafdruk QFC bron, zoals alle onderdelen gebruikt potentieel kunnen worden geïntegreerd op een fotonische chip. Daarnaast is gepulseerde excitatie bijzonder goed geschikt voor quantum toepassingen. Ten eerste, als we kijken naar een paar micro-holte resonanties symmetrische aan de excitatie, het twee-foton Staten waar elke foton wordt gekenmerkt door een single-frequentie modus-centrale voor lineaire optische quantum computing20genereert. Evenals, kunnen multi foton Staten worden gegenereerd door verplaatsen naar hogere macht excitatie regimes en het selecteren van meerdere signaal-niet aangedreven paren15. Ten tweede, als de fotonen worden uitgestoten in bekende tijd windows overeenkomt met de gepulste excitatie, post-processing en gating kunnen worden geïmplementeerd ter verbetering van de opsporing van de staat. Misschien belangrijkst, ondersteunt onze regeling hoge generatie tarieven van foton toestanden met behulp van harmonische modus-vergrendeling zonder vermindering van toeval-naar-accidental verhouding van (auto) – kan de weg voor snelle, multi-kanaals quantum informatie effenen technologieën.

Om aan te tonen het effect en de haalbaarheid van het frequentie-domein, moet de controle van de QFC Staten op een gerichte manier, zorgen voor zeer efficiënte transformaties en coherentie van de staat worden uitgevoerd. Om te voldoen aan deze eisen, we gebruiken trapsgewijze programmeerbare filters en fase modulatoren – gevestigde componenten in de telecommunicatie-industrie. Programmeerbare filters kunnen worden gebruikt om een willekeurige spectrale amplitude en fase masker op de afzonderlijke fotonen, met een resolutie voldoende inspelen op elke frequentie modus individueel; te leggen en electro-optic fase modulatoren gedreven door radio-frequentie (RF) signaal generatoren vergemakkelijken het mengen van frequentie onderdelen21.

Het belangrijkste aspect van deze controleregeling is dat het werkt op alle quantum modi van de fotonen gelijktijdig in één ruimtelijke modus, met behulp van één schakelaar elementen. Verhoging van de kwantumtoestand dimensionaliteit zal niet leiden tot een toename van de complexiteit van de installatie, in tegenstelling tot pad - of tijd-bin entanglement regelingen. Ook alle onderdelen zijn extern herconfigureerbare (dat wil zeggen de operaties kunnen worden gewijzigd zonder wijziging van de installatie) en gebruik van de bestaande telecommunicatie-infrastructuur. Dus, bestaande en toekomstige ontwikkelingen op het gebied van de ultrasnelle optische verwerking kunnen worden rechtstreeks overgedragen aan de schaalbare controle van kwantumtoestanden in de toekomst.

Kortom, de exploitatie van het frequentie-domein door QFCs ondersteunt alleen het genereren van hoge-snelheid van complexe kwantumtoestanden en hun controle, en is dus geschikt voor de winning van complexe staten naar praktische en schaalbare quantum technologieën.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. generatie van de High-dimensionale frequentie-bin verstrikt Staten via gepulseerde excitatie

  1. Naar aanleiding van de regeling aangegeven in Figuur 2 (generatie fase), sluit u elke component met behoud van polarisatie optische vezels (voor verbeterde ecologische stabiliteit).
  2. Sluit een voeding naar het electro-optic amplitude regelventiel en toepassen van een verschuiving van het DC spanning, afstemming van de offset waarde tot de optische macht overgedragen via het is ongeveer gehalveerd (gemeten met behulp van een optisch Vermogensmeter), bijv., zodanig dat een piek transmissie waarde van 2 mW is gehalveerd tot 1 mW.
  3. Meet de lengte van de geschatte externe holte. Berekenen van de externe holte modus afstand met behulp van de relatie,
    figure-protocol-1
    waar figure-protocol-2 is de externe holte mode afstand, c de lichtsnelheid in vacuüm, is figure-protocol-3 is de effectieve index van het medium Holte, en L de lengte van de externe holte. Bijvoorbeeld, voor een 20 m-holte bestaat uit glasvezel met een effectieve brekingsindex van 1,46, zou de geschatte holte modus afstand 10.2 MHz.
  4. De EDFA te initiëren lasermedium inschakelen.
  5. De snelle fotodiode invoegen door de instellingen op de koppeling van de holte of andere ring-poorten. Het fotodiode-signaal verbinden met een oscilloscoop aan van het veld excitatie-intensiteit in het tijdsdomein observeren.
  6. De resolutie van de tijd van de oscilloscoop instellen < 100 ps (via de knop van het horizontale schaal) om op te lossen van de ns-schaal pulsen. Bij deze stap zal zonder de modulator geactiveerd, de uitgang van de oscilloscoop Toon unstable pulse operatie met een lage kwaliteit, hoge ruis pulse trein.
  7. Sluit een functiegenerator aan de amplitude van de electro-optic-modulator. Stel de frequentie van de generator-uitvoer van de functie de (geschatte) externe holte modus afstand boven de (of een harmonische daarvan). Dit signaal wordt uitgevoerd in de modus-vergrendeling. Kies een puls (rechthoekig) golfvorm of sine wave voor amplitudemodulatie. Inschakelen van de functiegenerator.
  8. Afstemmen op het RF functie generator frequentie en DC offset te optimaliseren en het stabiliseren van de puls trein vorm op de oscilloscoop. Als een gepulseerde drijvende signaal wordt gebruikt, optimaliseert u de taakcyclus.
  9. Handmatig aanpassen van de winst van de EDFA te verkleinen (of vergroten) pulse intensiteit aan het regime waar de eigenschappen van de gegenereerde fotonen zijn als door de gebruiker gewenste (auto is hier een handig metrisch - zie hieronder voor meer informatie over de meting). Vergelijk de histogrammen van de respectieve toeval gegenereerd door de visuele interface die wordt geleverd met de timing elektronica hiervoor.
  10. Feed de timing elektronica sync kanaal met de puls trein signaal (gedetecteerd door de fotodiode) of de RF modus-vergrendeling signaal om te synchroniseren van de detectoren één foton met de foton paar generatie.
  11. Het vergroten van het percentage van de generatie van de QFCs, rijden de modulator modus-vergrendeling op hogere harmonischen van de externe holte frequentie afstand terwijl gelijktijdig de zijvlakken van de winst van de EDFA om ervoor te zorgen de dezelfde kracht per puls — dit handhaaft het foton auto terwijl koppelen het stimuleren van de productieomvang van paar (Figuur 3). Hiervoor de functie generator uitvoerfrequentie en vergroten EDFA winst respectievelijk.

2. de controle van de High-dimensionale frequentie-bin verstrikt Staten

  1. Naar aanleiding van de regeling aangegeven in Figuur 2 (Control fase), sluit u alle onderdelen met behulp van behoud van polarisatie vezels. Begin van de filter van de inkeping in de generatie regeling, sluit in serie de eerste programmeerbare filter, fase modulator en tweede programmeerbare filter. Ten slotte sluit de één foton detectoren voor meting doeleinden.
  2. Programmeerbare filterbewerking moet worden uitgevoerd
    Opmerking: Afhankelijk van de specifieke toepassing/meting wordt uitgevoerd, zal de controleparameters van de QFC variëren en de maskers van het fase en amplitude toegepast op de frequentie-modi moeten dienovereenkomstig worden vastgesteld. Het masker van de amplitude kan worden gebruikt om te verzachten of blokkeren van bepaalde frequentie-modi en het masker van de fase een willekeurige faseverschuiving op elke modus kunt geven.
    1. Bepaal de nodige maskers voor de gewenste toepassing/meting.
    2. Via de programmeerbare filter visuele interface22, stel de amplitude van de gewenste frequentie modus kanalen en alle anderen te verzachten.
    3. Op dezelfde manier toepassen de fase van het masker (de fase toegepast op de ongewenste kanalen is onbelangrijk, omdat ze volledig zijn verzwakt). Controle van de programmeerbare filter met een visuele interface waarmee de gewenste frequenties worden geselecteerd.
  3. Fase modulatie operatie
    1. Met behulp van fase modulatie, gedreven door een periodieke signaal, wordt elke spectrale component gesplitst door kant-groepen gelijkmatig verdeeld door de frequentie van het signaalgenerator die is het besturen van de fase-modulator. Gebruik dit om te mengen meerdere verschillende quantum frequentie modi, analoog met ruimtelijke beam-splitters in pad-entanglement regelingen. In het regime van quantum, electro-optic fase modulatie wordt beschouwd als een quantum verstrooiing operatie23.
    2. Bepalen van de doelgroep frequentie modi (afhankelijk van figure-protocol-4 en de meting/verwerking wordt uitgevoerd) en bereken het patroon van de spanning (frequentie en amplitude voor een sinusgolf generator) om te optimaliseren de gewenste figure-protocol-5 waarden (zie hieronder voor een aantal Details hierover).
    3. Het signaalgenerator verbinden met de RF-versterker met behulp van verliesarme kabels (zoals SMC kabels). Sluit de uitgang van de versterker RF naar het regelventiel fase, ook met behulp van adequate RF kabels. Zodra alle RF uiteinden zijn verbonden en correct beëindigd, bias van de RF-versterker.
    4. Zorgen dat de RF-versterker heeft voldoende vermogen om te rijden de modulator van de electro-optic fase met voldoende spanning om te voldoen aan de gewenste mengen voorwaarden — dit zijn de volgorde van verschillende figure-protocol-6 (de helft-Golf-spanning van de fase-modulator). Zorg er bovendien voor dat de RF kabels en connectoren geschikt voor de bandbreedte en de frequentie bereik van het drijvende signaal zijn.
    5. Het RF-signaalgenerator (wat is het besturen van de fase-modulator) ingesteld op een frequentie die de gewenste modi met de gemaakte kant-bands overlappen zullen (bijv., 33 GHz).
    6. Zet het signaalgenerator te mengen de frequentie-modi.
    7. Om te verifiëren dat de correcte modulatie wordt toegepast, stuur een continuous-wave laser via de fase-modulator en controleer dat het spectrum van de uitvoer komt met de beoogde modulatie met behulp van een optisch spectrum analyzer overeen (de modulatie parameters kunnen verder worden geoptimaliseerd, zie opmerkingen).
      Opmerking: Het optimaliseren van het mengen van frequentie modi (bepalen van de optimale functie frequentie en amplitude) is sterk afhankelijk van de gewenste mengen regeling, experimenteren wordt uitgevoerd en staat dimensionaliteit figure-protocol-7 . Indien mogelijk, moeten de mengen regelingen Meng modi dicht bij de wijze van de oorspronkelijke frequentie (op laag van het type integer sidebands) om te mengen efficiënter. Bijvoorbeeld als figure-protocol-8 , het mengen wordt aanbevolen optreden halverwege tussen de frequentie van de twee modi (dus de fase modulatie moet worden aangestuurd met een frequentie die integer meerdere gelijk is aan de helft is de quantum modus frequentie spatiëring, of gratis spectraal bereik (FSR)). Echter, voor figure-protocol-9 , mengen wordt aanbevolen om in de center frequentie modus (fase modulatie moet worden aangestuurd op een frequentie met een geheel getal meerdere gelijke aan de FSR) optreden. Bijvoorbeeld, met figure-protocol-10 en micro-holte figure-protocol-11 GHz, de fase modulatie rijden signaal is ingesteld op 33.33 GHz zodanig dat de figure-protocol-12 zijband overlapt met de naburige frequentie modi - terwijl ook voldoende intensiteit in het midden frequentie-modus. Dit resulteert in de overlapping van naburige modi sidebands figure-protocol-13 , figure-protocol-14 en figure-protocol-15 in de modus van de center frequentie figure-protocol-16 . Figuur 4a visualiseert een voorbeeld van het proces van de modulatie en de zijband coëfficiënten. Elke frequentie modus ondergaat de dezelfde fase modulatie en maakt de dezelfde zijband distributie, maar gecentreerd over de oorspronkelijke frequentie modus (figuur 4a). Voor een enkele frequentie-modus, worden de zijband amplitudes berekend als de coëfficiënten van een Fourier-reeks24,
      figure-protocol-17
      waar figure-protocol-18 wordt de amplitude overgedragen aan de figure-protocol-19 -th zijband, figure-protocol-20 is de frequentie die de modulator fase wordt gedreven, figure-protocol-21 is het patroon Fasemodulatie (periodieke met frequentie figure-protocol-22 ), en figure-protocol-23 is de argument van de functie van de periodieke modulatie (figure-protocol-24). Voor een sinusoïdale drijvende signaal, figure-protocol-25 , de side-band amplitudes worden beschreven door de Jacobi-Anger-expansie,
      figure-protocol-26
      figure-protocol-27
      waar figure-protocol-28 is de figure-protocol-29 -de orde Bessel-functie van de eerste soort geëvalueerd op figure-protocol-30 en figure-protocol-31 is de maximale faseverschuiving (waar figure-protocol-32 is de amplitude van de spanning van het eentonig drijvende signaal).

3. de verwerking van de High-dimensionale frequentie-bin verstrikt Staten

  1. Één foton spectrum
    1. Een enkel foton detector na het filteren van het veld van de excitatie van de QFC, aan de uitgang van een programmeerbare filter invoegen
    2. Via de programmeerbare computer filtersoftware, vegen over de bandbreedte van de volledige programmeerbare filter met een smalle bandfilter filter amplitude masker, meten van foton graaf tarieven als een functie van de frequentie. Bijvoorbeeld, als een visuele interface/besturingselement script in MATLAB wordt gebruikt (dat is geïnterfacet met de programmeerbare filterbesturingselement en timing elektronica), voer de gewenste filter bandbreedte waarden en stap nummer en klik "Run". Zorgen voor voldoende integratie tijd om juiste foton telt.
    3. Als u wilt reconstrueren het spectrum van deze gegevens, uitzetten (bijvoorbeeld met behulp van een script Matlab) de foton graaf tarieven tegen de overeenkomstige golflengte (bandfilter filter center) waar ze werden verworven.
  2. Toeval meting
    1. Voor het uitvoeren van een meting van het toeval, splitsen en route van het signaal en de idler fotonen te scheiden van één foton detectoren. Als de programmeerbare filter meerdere poorten heeft, gebruiken voor het uitvoeren van de scheiding. Anders, invoegen van een dichte-golflengte divisie multiplexer (DWDM) voorafgaand aan de één foton detectoren en deze gebruiken om de route van de fotonen.
    2. Selecteer een signaal en idler paar (bijvoorbeeld de tweede resonantie regels met betrekking tot de excitatie-frequentie, de signaal-2 en de niet aangedreven-2) met behulp van de programmeerbare filteren (via de meegeleverde software-interface) en hen te routeren naar twee afzonderlijke één foton detectoren. Bijvoorbeeld voor de WaveManager-software, klikt u op het submenu Flexgrid, klikt u op "Add" en voer de golflengte en output poort voor het gekozen kanaal22.
    3. Registreren de aankomsttijd van het signaal en idler fotonen met behulp van de tijd-naar-digitaal-converter. Berekenen van deze metingen, de vertraging tussen de twee fotonen. Een histogram (bijvoorbeeld met behulp van een script Matlab) plot van toeval telt voor een vertraging figure-protocol-33 tussen het signaal en niet aangedreven — hierdoor een toeval meting.
      Opmerking: De auto metric vergelijkt het aantal ware toeval graven van de gegenereerde foton paren met de toevallige toeval graven die voortvloeien uit meerdere foton processen en donkere graven.
    4. Uit de hierboven berekende meting, registreren het aantal graven in de centrum-piek (toevalligheden die voortvloeien uit fotonen geproduceerd in de dezelfde pols, gecentreerd rond de nul vertraging, figure-protocol-34 ) — de waarde van het toeval.
    5. Registreren het gemiddelde aantal graven in elke kant-piek (toevalligheden van fotonen geproduceerd in verschillende pulsen, waar figure-protocol-35 is een veelvoud van de pols trainen periode, dwz., de inverse van de herhaling van de hartslag), de toevallige waarde.
      Opmerking: De auto is gewoon de verhouding van deze twee waarden (toeval waarde/dwaalgast waarde).
  3. Dichtheid matrix wederopbouw
    Opmerking: Het proces voor dichtheid matrix wederopbouw hangt af van de kwantumtoestand van verschillende parameters: de dimensionaliteit van de fotonen, het aantal fotonen, en welke modi worden gemeten. Het aantal ruwe metingen nodig is gelijk aanfigure-protocol-36, waarfigure-protocol-37is de dimensionaliteit enfigure-protocol-38is het aantal fotonen. Dus, bijvoorbeeld, een paar van de twee-foton met een dimensionaliteit vanfigure-protocol-3981 metingen vereist. Dit protocol zal een overzicht van de algemene procedure voor dichtheid matrix wederopbouw, met voorbeelden voor een paarfigure-protocol-40frequentie modus fotonen.
    1. Het bepalen van een set van basisvectoren voor de gewenste toestand en een set van projectie vectoren (zie hieronder voor details over hoe deze op de juiste manier te kiezen).
    2. Met een meting van toeval, gebruik u ofwel een programmeerbare filter of een signaal van de route DWDM en idler fotonen te scheiden van één foton detectoren.
    3. Via de programmeerbare filter softwarecontrole, selecteert u de gewenste frequentie-modi en alle anderen te verzachten. Stel de fase masker waarden realiseren elke projectie wavevector afzonderlijk en het opnemen van een meting van het toeval. Het is belangrijk dat er tegelijkertijd integratie tussen verschillende projectie toeval graven.
    4. Met behulp van een aangepaste computer script, berekenen de dichtheidsmatrix van de fotonen met behulp van de ruwe toeval graaf metingen van elke projectie wavevector (zie hieronder voor relevante computationele details).
      Opmerking: Bij het bepalen van basisvectoren voor de dichtheid matrix meting, moeten ze de toestandsruimte span. Voor het geval in het volgende voorbeeld worden de basisvectoren
      figure-protocol-41
      Voor een staat figure-protocol-42 , de dichtheidsmatrix beschrijft de kwantumtoestand door,
      figure-protocol-43
      De dichtheidsmatrix zijn voor een echte fysieke systeem een positief-definiet, Hermitische matrix moet - maar als gevolg van lawaai, kan dit niet altijd het geval. In het geval van de in het volgende voorbeeld met de gekozen basis, kan de wavevector voor de ideale maximaal frequentie-verstrikt staat worden weergegeven als
      figure-protocol-44
      en dus, de theoretische dichtheidsmatrix zou:
      figure-protocol-45
      Projectie metingen op een reeks van projectie wavevectors, figure-protocol-46 . Toeval graven voor elke projectie worden gegeven als
      figure-protocol-47
      waar figure-protocol-48 is een constante (zie hieronder voor definitie).
    5. Kies een orthogonale set van figure-protocol-49 , genormaliseerd matrices, figure-protocol-50 , zodanig dat
      figure-protocol-51
      waar figure-protocol-52 , is de figure-protocol-53 is de dimensie, figure-protocol-54 is het aantal fotonen, en figure-protocol-55 is de Kronecker delta-functie. Deze matrices ruimtelijke figuur kunnen worden geconstrueerd met behulp van de speciale unitaire SU (figure-protocol-56) generatoren (dat zijn er figure-protocol-57 ), samen met de eenheidsmatrix, via alle mogelijke tensor product combinaties25. Zie hieronder voor de orthogonale matrices van de voorbeeld-zaak.
    6. Reconstrueren de dichtheidsmatrix, figure-protocol-58 , via de volgende relaties,
      figure-protocol-59
      figure-protocol-60
      figure-protocol-61
      figure-protocol-62
      waar figure-protocol-63 is het foton telt voor de figure-protocol-64 -th projectie vector, figure-protocol-65 zijn de vectoren van de projectie (Zie de volgende stap), waar figure-protocol-66 en figure-protocol-67 zijn berekend op basis van de definitie van de vergelijking.
      Opmerking: Projectie wavevectors voor het geval in het volgende voorbeeld zijn,
      figure-protocol-68figure-protocol-69
      figure-protocol-70
      figure-protocol-71
      figure-protocol-72
      figure-protocol-73
      figure-protocol-74
      figure-protocol-75
      figure-protocol-76
      Deze wavevectors zijn experimenteel, gerealiseerd door het meegeven van de passende faseverschuiving op elke modus via de programmeerbare filter. Verwijzen naar eerdere publicatie25 voor discussie over projectie vectoren. De orthogonale verzameling van matrices, figure-protocol-77 bijvoorbeeld het geval worden gekozen, eerst met behulp van de generatoren van de SU(3) samen met de eenheidsmatrix,
      figure-protocol-78
      figure-protocol-79
      figure-protocol-80
      figure-protocol-81
      figure-protocol-82
      figure-protocol-83
      figure-protocol-84
      figure-protocol-85
      figure-protocol-86
      en worden berekend als,
      figure-protocol-87
    7. Voor een meer diepgaande bespreking van hoge-dimensionale staat wederopbouw, verwijzen naar referentie 25 25.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De aangegeven regeling voor de generatie en de bestrijding van hoge-dimensionale frequentie-bin Staten (gebaseerd op de excitatie van niet-lineaire micro-Holten, Figuur 1) is afgebeeld in Figuur 2. Deze setup standaard telecommunicatie onderdelen gebruikt en is zeer flexibel in het foton productieomvang en de veredeling toegepast. Figuur 3 toont de karakterisatie van de regeling van de generatie via ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het optische frequentie-domein, via QFCs, is het voordelig in quantum toepassingen voor tal van redenen. Operaties zijn globaal, handelen op alle staten gelijktijdig, wat resulteert in een ontwerp dat niet in grootte of complexiteit als de verhogingen van de dimensionaliteit staat schaalt. Dit wordt versterkt als de onderdelen kunnen opnieuw geconfigureerde on-the-fly zonder het wijzigen van de installatie en worden geïntegreerd kunnen op de chip door te profiteren van bestaande en/of ontwikkelen van halfgeleider- en tel...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Dankbetuigingen

Wij danken R. Helsten voor technische inzichten; P. Kung van QPS Photronics voor hulp en verwerkingsapparatuur; evenals QuantumOpus en N. Bertone van opto-elektronica onderdelen voor hun steun en voor ons te voorzien van state-of-the-art foton detectie apparatuur. Dit werk werd mogelijk gemaakt door de volgende financieringsbronnen: natuurwetenschappen en Engineering onderzoek Raad van Canada (NSERC) (Steacie, strategische, Discovery and Acceleration subsidies regelingen, Vanier Canada afgestudeerde beurzen, USRA beurs); Mitacs (IT06530) en PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI initiatief; Canada Research Chair Program; Australische onderzoeksprojecten Raad ontdekking (DP150104327); Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie programma onder de Marie Sklodowska-Curie verlenen (656607); CityU SRG-Fd programma (7004189); Strategische prioriteit onderzoeksprogramma van de Chinese Academie van Wetenschappen (XDB24030300); Mensenprogramma (Marie Curie Actions) van de Europese Unie KP7-programma onder REA subsidieovereenkomst INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Regering van de Russische Federatie door de ITMO Fellowship en hoogleraarschap programma (Grant 074-U 01); 1000 talenten Sichuan programma (China)

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Superconducting Nanowire Single-Photon Detector SystemQuantum OpusOpus One
Electro-optic phase modulatorEO-SpaceLow loss model
Programmable filterFinisar WaveShaper 4000s
Timing electronicsPicoQuantHydraHarp 400
Micro-ring resonator200 GHz FSR micro-ring resonator gemaakt van glas met hoge brekingsindex. Zie Ref. 24 voor platformdetails.
Erbium-doped fiber amplifierKeopsysPEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA
Electro-optic amplitude modulatorOclaro SD40
RF tone sourceRohde & SchwarzSMP 04
RF tone amplifierRF-LambdaRFLUPA27G34GA
Function generatorTetronixAFG 3251
IsolatorGeneral PhotonicsNISO-S-15-SS-FC/APF
OscilloscopeTetronix TDS5052B
PhotodiodeFinisarXPDV 50 GHz
DWDMOptiWorksDWFUQUMD08BN
Power supplyMadellCA18303D

Referenties

  1. Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
  2. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
  3. Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604(2014).
  4. Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
  5. Schaeff, C., Polster, R., Lapkiewicz, R., Fickler, R., Ramelow, S., Zeilinger, A. Scalable fiber integrated source for higher-dimensional path-entangled photonic quNits. Optics Express. 20 (15), 16145(2012).
  6. Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93(2004).
  7. Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
  8. Caspani, L., et al. Multifrequency sources of quantum correlated photon pairs on-chip: a path toward integrated Quantum Frequency Combs. Nanophotonics. 5 (2), 351-362 (2016).
  9. Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
  10. Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
  11. Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
  12. Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
  13. Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236(2015).
  14. Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88(2015).
  15. Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
  16. Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731(2016).
  17. Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62 (19), JTh5B.3 (2017).
  18. Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940(2017).
  19. Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
  20. Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
  21. Olislager, L., Woodhead, E., Phan Huy, K., Merolla, J. M., Emplit, P., Massar, S. Creating and manipulating entangled optical qubits in the frequency domain. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 89 (5), 1-8 (2014).
  22. Finisar WaveShaper Software. , Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018).
  23. Capmany, J., Fernández-Pousa, C. R. Quantum model for electro-optical phase modulation. Journal of the Optical Society of America B. 27 (6), A119(2010).
  24. Stocklin, F. Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
  25. Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
  26. Moss, D. J., Morandotti, R., Gaeta, A. L., Lipson, M. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature Photonics. 7 (8), 597-607 (2013).
  27. Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100(2017).
  28. Guo, X., Zou, C., Schuck, C., Jung, H., Cheng, R., Tang, H. X. Parametric down-conversion photon-pair source on a nanophotonic chip. Light: Science & Applications. 6 (5), e16249(2016).
  29. Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884(2015).
  30. Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413(2011).
  31. Kumar, R., Ong, J. R., Savanier, M., Mookherjea, S. Controlling the spectrum of photons generated on a silicon nanophotonic chip. Nature communications. 5, 5489(2014).
  32. Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182(1992).
  33. Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
  34. Thoen, E. R., Grein, M. E., Koontz, E. M., Ippen, E. P., Haus, H. A., Kolodziejski, L. A. Stabilization of an active harmonically mode-locked fiber laser using two-photon absorption. Optics Letters. 25 (13), 948(2000).
  35. Harvey, G. T., Mollenauer, L. F. Harmonically mode-locked fiber ring laser with an internal Fabry-Perot stabilizer for soliton transmission. Optics Letters. 18 (2), 107(1993).
  36. Gee, S., Quinlan, F., Ozharar, S., Delfyett, P. J. Simultaneous optical comb frequency stabilization and super-mode noise suppression of harmonically mode-locked semiconductor ring laser using an intracavity etalon. IEEE Photonics Technology Letters. 17 (1), 199-201 (2005).
  37. Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Gepulseerde kwantumtoestandenfrequentie bin verstrengelinggeneste holte modegrendelingniet lineaire microholteprogrammeerbare filterselektro optische modulatorendichtheidsmatrixreconstructieco ncidentiedetectieenkelvoudig fotonspectrum

Gerelateerde artikelen