Methodenartikel

Een fotonisch systeem voor het opwekken van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrikt fotonen op basis van meervoudige kwantum interferentie

DOI:

10.3791/59705

⸱

5 september 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, Tokyo University of Science

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We beschrijven een optisch systeem voor het genereren van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrikt fotonen op basis van meerdere kwantum interferentie-effecten met een detectie schema om de experimentele betrouwbaarheid van gegenereerde verstrikt fotonen te schatten.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We presenteren een high-performance bron van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrengeld fotonen met een hoge-emissie snelheid, een breedband distributie, zijn gedegenereerd en postselection gratis. De eigenschap van de bron is gebaseerd op het meervoudige kwantum interferentie-effect met een round-trip configuratie van een Sagnac-interferometer. De kwantum interferentie-effecten maken het mogelijk om de hoge generatie efficiëntie van de polarisatie-verstrengelde fotonen te gebruiken om parametrische down conversie te verwerken, en afzonderlijke gedegenereerde foton-paren in verschillende optische modi zonder een postselection Vereiste. Het principe van het optische systeem werd beschreven en experimenteel gebruikt om de getrouwheids-en Belparameters te meten, en ook om de gegenereerde polarisatie te karakteriseren-verstrengeld fotonen van minimaal zes combinaties van polarisatie gecorreleerde gegevens. De experimenteel verkregen getrouwheids-en Belparameters overtroffen de klassieke lokale correlatie limiet en zijn duidelijk bewijs van de generatie van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrikt fotonen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De verstrengelde staat van fotonen heeft veel belangstelling getrokken in de studie van lokaal realisme in de kwantumtheorie en nieuwe toepassingen van Quantum Cryptography1, Quantum dense Coding2, Quantum repeater3en Quantum Teleportatie4. Spontane parametrische down-Conversion (SPDC) is een tweede-orde niet-lineair proces dat is geïntroduceerd om direct verstrikt fozijn paren in de polarisatie toestanden te produceren. Vanwege de recente ontwikkeling in quasi-fase-matching technieken zijn de periodiek gepoled KTiOPO4 (ppktp) en linbo3 (ppln) uitgegroeid tot een standaardtechniek5. Verschillende soorten verstrikking bronnen worden ontwikkeld door het combineren van deze niet-lineaire kristallen met een Sagnac interferometer6,7,8. In het bijzonder maakt de regeling met orthogonaal gepolariseerde fotonen paren verkregen door type-II SPDC het mogelijk om onvoorwaardelijke polarisatie-verstrengelde fotons en ook gescheiden ontaarde polarisatie-verstrengeld paren in verschillende optische modi zonder postselectieve detectie7.

Type-0 SPDC daarentegen heeft het voordeel van een eenvoudige installatie en een hoge-emissie verhouding van foton Pairs9. Bovendien vertonen de gegenereerde foton-paren in type-0 SPDC een veel bredere bandbreedte dan de fotonen van type-II SPDC. De totale photon-pair productiesnelheid per unit pomp macht is twee orders van grootte hoger als gevolg van de grote bandbreedte8. Een grote bandbreedte van gecorreleerde foton paren maakt een zeer korte toeval tijd tussen de gedetecteerde foton paren. Deze eigenschap heeft geleid tot verschillende mogelijke toepassingen, zoals kwantum optische coherentie tomografie10, voor het bereiken van ultrakorte temporale correlaties via niet-lineaire interacties met de flux van verstrikt fotonen11, metrologie methoden met behulp van de zeer nauwe dip in Quantum interferentie12, Quantum clock synchronisatie13, tijds frequentie verstrikking meting14, en multimode frequentie verstrikking15. Het schema met de gewone type-0 SPDC vereist echter voorwaardelijke detectie schema's6 of golflengte filteren8 of ruimtelijke modus filtering om de gegenereerde polarisatie-verstrikt fotonen16scheiden.

We realiseerden een regeling die voldoet aan de eigenschappen van type-0 en type-II SPDC tegelijkertijd op basis van meerdere kwantum interferentie processen17. De details van het optische systeem werden beschreven en experimenteel gebruikt voor het meten van de parameters die de gegenereerde polarisatie-verstrengelde fotonen met behulp van een minimum aantal experimentele gegevens karakteriseren.

De Jones-vector van horizontale (H) en verticale (V) polarisatie toestand kan worden geschreven figure-introduction-1 als figure-introduction-2 en. Alle mogelijke zuivere polarisatie toestanden zijn opgebouwd uit coherente Super posities van deze twee polarisatie toestanden. Zo worden bijvoorbeeld de diagonaal (D), anti-diagonaal (A), rechter-circulair (R) en links-circulair (L) licht weergegeven door:

figure-introduction-3,

figure-introduction-4, (1)

figure-introduction-5En

figure-introduction-6,

H en V worden de rechtlijnige polarisatie grondslagen genoemd. D en A worden de diagonale polarisatie basissen genoemd. R en L worden de circulaire polarisatie grondslagen genoemd. Deze zuivere en ook gemengde toestanden van de polarisatie kunnen worden weergegeven door dichtheids matrixen op basis van de H-en V-polarisatie basissen18.

Het werkingsprincipe van de regeling is weergegeven in Figuur 1a-e. De laser wordt geïnjecteerd in een polarisatie-Sagnac-interferometer die bestaat uit een polariserende bundel splitter (PBS), twee halve golfplaten ingesteld op 45o (HWP1) en 22,5o (HWP2), een ppktp-kristal en spiegels. De polarisatie optiek met deze Setup werkt zowel voor de golflengte van het pomp veld als voor de down-geconverteerde fotonen.

De H-component van de pomp laser gaat door de PBS zoals weergegeven in Figuur 1a en round trips de Setup in een rechtsom (CW) richting. De polarisatie van de pomp laser werd omgekeerd tot de diagonaal (D) toestand door middel van HWP2. Hier werkt de V-component van de pomp laser voor down-conversie, en de gegenereerde fotonen zijn V-gepolariseerd met type-0 SPDC. De SPDC-polarisatie status van gegenereerde foton-paren kan worden weergegeven als:

figure-introduction-7.  2

De down-geconverteerde fotonen paren zijn H-gepolariseerd door de HWP1 ingesteld op 45o zoals weergegeven in Figuur 1b, en de polarisatie toestand wordt:

figure-introduction-8. 3

De laserstraal van de pomp injecteerde de omgekeerde fotonparen opnieuw in de ppKTP. De gegenereerde fotonen paren van de tweede SPDC zijn beide V-gepolariseerd en voorzien van de fotonen paren gegenereerd door de eerste SPDC voor een collineaire optische modus zoals afgebeeld figuur 1c. De polarisatie toestand van de foton pairs na de tweede SPDC wordt weergegeven als:

figure-introduction-94

waar figure-introduction-10 is de relatieve fase tussen het foton-paar vanaf de eerste en tweede SPDC. De fase varieert niet met de tijd, omdat deze wordt bepaald door de HWP1's materiaal dispersie tussen de pomp laser en de down-geconverteerde fotonen, en instelbaar door kantel HWP1. De H (V)-polarisatie toestand van de neergezette fotonen werd omgekeerd naar een (D) toestand zoals weergegeven in (1). De polarisatie toestand van de output foton pair van HWP2 wordt weergegeven als:

figure-introduction-115

Wanneer de fase figure-introduction-12 wordt ingesteld door kantelen HWP1, blijft alleen de eerste term van de staat (5) zoals weergegeven in figuur 1d. Dit is het kwantum interferentie proces dat overeenkomt met het omgekeerde Hong-ou-Mandel (HOM) interferentie proces van de polarisatie basissen19. Wanneer de H-foton door PBS gaat en de V-foton wordt gereflecteerd door PBS, wordt de polarisatie toestand van de output foton paren van figure-introduction-13 PBS weergegeven als voor Optical Mode1 en 2, zoals afgebeeld in Figuur 1e.

Omgekeerd werd de V-component van de pomp Laser weerspiegeld door PBS, zoals weergegeven in Figuur 1f en ronde in een linksom (CCW) richting. Via vergelijkbare multiple type-0 SPDC-processen en unitaire transformaties wordt figure-introduction-14 de polarisatie status van de uitvoer van PBS. Wanneer de polarisatie toestand van de pomp laser werd bereid in diagonale (D) toestand, was de relatieve fase tussen H-en V-componenten van de pomp Laser nul. Daarom wordt de uitvoer toestand van gegenereerde fotonen van CW en CCW-richtingen met dezelfde amplituden aangeduid en weergegeven als:

figure-introduction-15.  6

De uitgangstoestand is een polarisatie-verstrenkende toestand die bekend staat als een van de klok toestanden en kan worden omgezet in andere drie toestanden met behulp van de polarisatie optiek elementen7. Met behulp van de in (1) getoonde relatie kan de figure-introduction-16 uitgangstoestand worden weergegeven door diagonale polarisatie grondslagen als:

figure-introduction-17en door circulaire polarisatie basissen als figure-introduction-18 :.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De aangenomen procedure bestaat uit vier hoofd stadia met gebruikmaking van de algemene experimentele opstelling zoals weergegeven in Figuur 2. De eerste fase was de bereiding van de pomp laser voor SPDC. In de tweede fase werd de optische interferometer-Sagnac interferometer geconstrueerd met behulp van een niet-lineaire kristal-en optische polarisatie componenten. De toeval-meetprocedure met gebruikmaking van de in Figuur 3 getoonde elektrische componenten werd in de derde fase beschreven. Ten slotte werd de feitelijke fotonen correlatiegegevens weergegeven in Figuur 4 gebruikt om de getrouwheids-en belparameters van de gegenereerde onvoorwaardelijke polarisatie-verstrengelde fotons te schatten.

1. configuratie van de pomp Laser

  1. Schakel de 405 nm rooster-gestabiliseerde enkelvoudige-frequentie laserdiode in. Stel het uitgangsvermogen in op een paar mW door de elektrische stroomtoevoer naar de laserdiode en door filters met neutrale dichtheid te reduceren.
  2. Construeer een uitwendige holte tussen het oppervlak van de laserdiode en het holografische rooster (3.600 mm− 1) om een éénfrequentiebewerking te realiseren, aangeduid als een spectrometer. Plaats het holografische rooster ongeveer 45o tegen het oppervlak van de laserdiode en beweeg de schroef langzaam om de graad aan te passen en Maximaliseer het uitgangsvermogen van de holte door te verwijzen naar het beeld van de straal.
  3. Koppel een laser aan de polarisatie-het handhaven van optische vezels (PMF) om een enkele ruimtelijke werking uit te voeren. Pas de fiber coupler schroeven aan om het uitgangsvermogen van PMF te maximaliseren met behulp van een Vermogensmeter.
  4. Collimate de uitvoer laser uit de PMF met een fiber coupler lens. Kanaal de uitvoer laser via een isolator in het midden van half-Wave Plate (HWP), een kwart golfplaat (QWP), en een short-pass dichroïde spiegel (DM) zoals weergegeven in Figuur 2. Voor het opwekken van de polarisatie-verstrengelde fotonen met de toestand zoals in (6), zet de polarisatie toestand van de pomp laser met diagonaal (D) door de HWP in te stellen op 22,5o, en qwp tot 0o.

2. constructie van de interferometrische opstelling

  1. Plaats een dichroïde spiegel (DM), een reguliere spiegel, een PBS en een ppKTP-kristal met afmetingen: 10 mm lang (kristallografische x-as), 10 mm breed (y-as) en 1 mm dik (z-as) zoals weergegeven in Figuur 2. De PBS werkt zowel op de golflengte van de laser (405 nm) als op die van de neergerekende fotonen (810 nm). De Poling periode van het ppKTP kristal is 3,425 figure-protocol-1 die is ontworpen voor de collineaire type-0 SPDC met 405 nm Laser pomp en heeft een anti-reflectie coating bij beide golflengten.
  2. Pas de PBS en spiegels aan met behulp van de pomp Laser (405 nm) en een referentie Laser (810 nm). Aangezien de lengte van de input tot output van de interferometer ongeveer 600 mm is, maakt u het verzonden en gereflecteerde licht van PBS parallel voor meer dan 600 mm (wenselijk voor een paar meter) om ruimtelijke modus-Matchings te maken.
  3. Plaats HWP1 en HWP2 in de Setup. Ze werken op zowel 405 nm als 810 nm golflengten. Pas de HWPs loodrecht op het incident licht aan met behulp van het gereflecteerde licht van het oppervlak. Stel de hoek van HWP1 in op 45o en HWP2 tot 22,5o
  4. Plaats een retroflector in de opstelling. Pas de positie van de retroflector zodanig aan dat de rechtsom (CW) en linksom (CCW) referentie balken zich in dezelfde ruimtelijke modus bevinden. Plaats de CCD-camera's (Charge-gekoppelde apparaten) op modus 1 en 2 in Figuur 2 om de Beam profilerings beelden te verwijzen van de uitgang van de interferometer. Pas de spiegel en de retroflector aan om de ruimtelijke modus te laten overeenkomen door de profilerings afbeeldingen op de camera te verwijzen.
  5. Plaats een focus lens tussen QWP voor laser en DM. Aangezien de lengte van de input tot output van de interferometer ongeveer 600 mm is, selecteert u een objectief met een scherpstel lengte van 300 mm. empirisch ingesteld het brandpunt van de input Laser pomp niet op het exacte middelste punt van de interferometer, maar rond de generatie POS voeding van de tweede SPDC om op dezelfde niveau generatie efficiëntie van down-geconverteerde fotonen tussen eerste en tweede SPDC te maken.
  6. Verwijder de CCD camera en plaats QWPs, polarisatoren (POLs), storings filters (IFs) met een 810 nm Center en 3 nm bandbreedte in de modus 1 en 2 zoals weergegeven in Figuur 2. Pas de optische elementen loodrecht op het incident licht aan met het gereflecteerde licht. Koppel de referentie laserstralen aan de multimode vezels met behulp van glasvezel koppelingen voor detectie.
  7. Plaats een 300 mm focus lens tussen DM en QWP in modus 1 en modus 2. Maak de uitvoer referentie laserstralen naar collimate voor detectie.
  8. Verbind de multimode vezels met de Single-Photon tellings modules (Spcm's) opgebouwd uit silicium (SI) avalanche fotodiodes. Schakel de referentie laser uit. Schakel de Spcm's in een donkere ruimte in en Tel de neergerekende fotonen.
  9. Pas de temperatuur van het op een temperatuurregelaar gemonteerde ppKTP-kristal aan door te verwijzen naar de telsnelheden van neergerekende fotonen. De juiste temperatuur is meestal 25-30 °C.
  10. Pas de kantelhoek van HWP1 aan om de tellings percentages van down-geconverteerde fotonen te maximaliseren. Als de tellerpercentages te zwak zijn, meet u de tellingen zonder de optische elementen in modus 1 en 2.

3. meetprocedure van het aantal toeval

  1. Selecteer de polarisatie basissen in modus 1 en 2 om de incident polarisatie te meten-verstrikt fotonen met behulp van POLs en QWPs zoals weergegeven in Figuur 3. Voor de meting van het incident foton met H (V)-basis stelt u de qwp in op 0o en de Pol in 0o (90o). Voor de meting van het incident foton met D (A) Base, stelt u de qwp in op 0o en de Pol tot 45o (-45o). Voor de meting van het incident foton met R (L) Base, stelt u de qwp in op 45o (-45o) en de Pol tot 0o.
  2. Verbind het Transistor-Transistor Logic (TTL) signaal gegenereerd van de SPCM in modus 2 tot de ingangssignaal ingang van een time-to-amplitude Converter (TAC), en het signaal in modus 1 naar de stop signaal ingang nadat het is gepasseerd via de elektrische vertragings lijn (delay). TAC genereert elektrische signalen van 0 tot 10 V, overeenkomend met de tijdsvertraging tussen twee signalen.
    1. In dit experiment, stelt u de tijdvertraging Δt als 50 NS door het selecteren van de vertraging lijn pinnen. Stel de weergave van de PC in om 100 NS tijdbereik weer te geven door de knop TAC in te stellen. Vervolgens genereert TAC 5 V-signalen als 50 NS vertragingstijd die wordt gegeven door de elektrische vertragings lijn. Daarom komen de 5 V-signalen overeen met de toevalligheden op 0 NS vertragingstijd van werkelijke pulsen afkomstig van spcms. De toevalligheden op 0 NS vertragingstijd worden weergegeven in het midden van het weergavetijd bereik zoals weergegeven in afbeelding 3.
  3. Klik op de startknop van de software, genaamd MAESTRO-32, om de verdeling van de pulshoogte te meten en de distributie op te nemen met een computergestuurde (PC) Multi-Channel Analyzer (MCA). In dit experiment, stelt u de meet tijd van TAC voor 30 s. Analyseer de hoogte verdeling van de TAC pulsen van 0 tot 10 V die overeenkwamen met a-50 tot 50 NS vertragingstijd tussen de incident fotonen en het SPCMs door de instelling beschreven in stap 3,2.
  4. Nadat u de pulshoogte verdeling hebt opgenomen, verkrijgt u de verdelingsgegevens van de pulshoogte voor verschillende polarisatie grondslagen, zoals weergegeven in Figuur 4. Selecteer het tijdvenster dat moet worden overwogen voor het maken van een toeval voor de analysering van de gegevens. Aangezien de breedte van de pulspiek wordt bepaald door de resolutie tijd van de SPCM van ~ 1 NS, is het tijdvenster van de toeval noodzakelijk om groter te zijn dan de oplossingstijd.
    1. Kies in dit experiment het tijdvenster voor toeval om 10 NS te zijn. Maak een schatting van het aantal toeval door het gebied van het tijdvenster te integreren.

4. schattings procedure van de getrouwheids-en Belparameters

  1. figure-protocol-2 Bepaal de correlaties van de gepolariseerde tweede orde en de kruislings gepolariseerde figure-protocol-3 de tweede figure-protocol-4 orde correlaties, waarbij verwijst naar de polarisatie toestanden H, D figure-protocol-5 en R, en verwijst naar de cross-polarisatie toestanden V, A en L. Verkrijg deze functies door het gemeten toeval te delen figure-protocol-6 door het achtergrondniveau figure-protocol-7 . Figuur 4 toont de werkelijk gemeten pulshoogte verdeling van het toeval telt met verschillende polarisatie basissen voor 30s.
    Opmerking: het toeval telt bijvoorbeeld de met polarisatie basis HH geeft figure-protocol-8 Count/30 s voor toeval venster 10 NS. Het gemiddelde ruggrond niveau voor het toeval-venster wordt berekend als 4,3 Count/30 s. Aangezien correlaties van de tweede orde worden gegeven figure-protocol-9 door, wordt figure-protocol-10 de gepolariseerde tweede-orde correlatie functies met polarisatie basis hh. Evenzo worden tweede-orde correlatie functies met andere polarisatie basissen gegeven als figure-protocol-11 :, figure-protocol-12 en en kruislings gepolariseerde tweede-orde correlatie figure-protocol-13 functies figure-protocol-14 als: en.
  2. Bepaal de mate van polarisatie correlatie tussen twee fotonen voor drie polarisatie basen gedefinieerd door20,21:
    figure-protocol-157
    waar figure-protocol-16 verwijst naar de polarisatie grondslagen van de rechtlijnige (H en V), diagonaal (D en A), en circulaire (R en L) basen. De gemeten tweede-orde correlatie functies geven de mate van elke polarisatie basis als volgt: figure-protocol-17 , en figure-protocol-18 .
  3. Bepaal de getrouwheid van gegenereerde verstrikt fotonen. Bereken de getrouwheid van de polarisatie-verstrengelde staat met betrekking tot de staat (6) in drie basissen20,21:
    figure-protocol-19
    De gemeten graden van de polarisatie correlatie figure-protocol-20 was. Het getal overtrof de klassieke polarisatie correlatie limiet van 0,50.
  4. Bepaal de klok parameters van de gegenereerde verstrikt fotonen21. Bereken de parameters van de polarisatie correlaties als volgt 19,20:
    figure-protocol-21
    figure-protocol-22
    figure-protocol-23
    De gemeten basen van de polarisatie figure-protocol-24 correlatie waren. Deze getallen overschrijden de klassieke parameter limiet van 2 en schenden de Belongelijkheid.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het optische systeem voor het genereren van onvoorwaardelijke verstrengelde fotonen voor polarisatie toestanden op basis van meerdere kwantum interferenties en detectie schema's om de experimentele getrouwheid te schatten door polarisatie correlatie van gegenereerde foton Pairs werd besproken. De geschatte getrouwheid van de gegenereerde fotonen overtrof de klassieke lokale correlatie limiet van 0,50. De gemeten klok parameters overschreed de klassieke parameter limiet van 2 en verkracht de belongelijkheid. In dit document werden de bij een minimum van zes combinaties van polarisatie grondslagen verkregen toeval-metingen gebruikt om deze parameters te evalueren. Bovendien is het mogelijk om de dichtheids matrix van de gegenereerde polarisatie-ververwarde fotonen via kwantum staat tomografie volledig te reconstrueren, waarvoor toeval metingen nodig zijn van 16 combinaties van polarisatie basissen18.

figure-results-1
Figuur 1 : Schematische voorstelling van een geïntegreerde Double-Pass polarisatie Sagnac interferometer. a) het genereren van foor-paren na de eerste spontane parametrische down conversie (SPDC). b) polarisatie rotatie van de foor paren door een halve golfplaat (HWP1). c) de aanmaak van foor-paren na de tweede SPDC. d) de kwantum interferentie tussen foor paren van de eerste en de tweede SPDC door HWP2. e) de output foton Pairs worden geproduceerd in de rechtsom (CW) richting. f) in de linksom (CCW)-richting geproduceerde fotopparen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2:algeheel optisch systeem voor het opwekken van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrikt fotonen. De eerste halve golfplaat (HWP) en een kwart golfplaat (QWP) worden gebruikt om de polarisatie toestand van de pomp laser in te stellen door middel van polarisatie-behoud van optische vezels (PMF). De uitgangs fotonen werden via lenzen, QWPs, polarisatoren (POLs) en storings filters (IFs) in standen 1 en 2 doorgegeven en gedetecteerd door de Single-Photon tellings modules (SPCM). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3 : Algeheel toeval detectiesysteem voor de gegenereerde polarisatie-verstrengeld fotonen. De elektrische signalen van de SPCM werden gebruikt om het signaal van de time-to-amplitude Converter (TAC) te starten en te stoppen via een elektrische vertragings lijn (delay). De puls-hoogte verdeling verkregen uit tijdsverschil werd geanalyseerd met een computergestuurde (PC) Multi-Channel Analyzer (MCA). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4 : Gemeten tijdverschil verdelingen met parallelle en orthogonale polarisator instellingen. De combinaties zijn horizontaal (H), verticaal (V), diagonaal (D), anti-diagonaal (A), rechts-circulair (R) en links-cirkelvormige (L) polarisatie basissen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De cruciale stap in het protocol is hoe de getrouwheid van de gegenereerde polarisatie verstrikt fotonen te maximaliseren. De geschatte getrouwheids-en Belparameters zijn momenteel beperkt, vooral omdat we multimode-vezels gebruikten om de gegenereerde verstrikt fotonen te verzamelen. De kanteling van HWP1 beïnvloede het hoogteverschil van de ruimtelijke modi tussen de fotonen van de eerste en tweede SPDC en veroorzaakte een niet-overeenkomende ruimtelijke modus op de uitvoer van de Sagnac-interferometer. De getrouwheid wordt naar verwachting hoger bij het gebruik van single-mode vezels die de ruimtelijke modus overlappende gebied van de gegenereerde eerste en tweede SPDC fotonen uitfilteren. Bovendien beïnvloede het dubbele breking-effect van het ppktp-kristal de niet-overeenkomende modus tussen de eerste en tweede SPDC-fotonen. In de toekomst kunnen we de parameters eventueel verbeteren door extra compensatie kristallen te gebruiken.

De betekenis van het protocol is om verschillende eigenschappen tegelijk met betrekking tot de bestaande methode te realiseren. De bron van de polarisatie verstrengeld fotonen met het protocol hebben een hoge-emissie snelheid, zijn ontaarde, hebben een breedband distributie, en zijn post-selectie gratis. Het karakteristieke voordeel van het protocol is gebaseerd op de meervoudige kwantum interferentie met behulp van een double-Pass polarisatie Sagnac interferometer. Het Photonic-systeem maakt het mogelijk om de grote generatie efficiëntie van polarisatie verstrikt fotonen te gebruiken en ontaarde foton-paren te scheiden in verschillende optische modi zonder de vereiste van postselection. Het systeem van high-performance polarisatie verstrikt fotonen kan worden toegepast voor de nieuwe Photonic Quantum Information Technologies1,2,3,4.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit onderzoek werd gesteund door Research Foundation for opto-Science and Technology, Japan. Wij danken Dr. Tomo Osada voor de nuttige besprekingen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
300mm fous lensThorlabs. INC.AC254-300-B
405nm LDDigi-Key ElectronicsNV4V31SF-A-ND
Delay lineOrtec INC.DB463
Dichroic mirror (DM)Midwest Optical Systems INC.SP650-25.4
Half-wave plate (HWP) for 405nmThorlabs. INC.WPH05M-405
Half-wave plate (HWP) for dual wavelengthsMeadowlark Co.DHHM-100-0405/0810?
Interference filter (IF)IDEX Health & Science, LLCLL01-808-12.5
Multi-channel analyzer (MCA)Ortec INC.EASY-MCA-2KMAESTRO-32 software
Polarization-maintaining fiberThorlabs. INC.P1-405BPM-FC-1
Polarizer (POL)Meadowlark Co.G335743000
ppKTP crystalRAICOL CRYSTAL LTD.Type-0, 3.425 microns period
Quarter-wave plate (QWP) for 808nmThorlabs. INC.WPQ05M-808
Quarter-wave plate (QWP) for 405nmThorlabs. INC.WPQ05M-405
RetroreflectorNewport Co.U-BER 1-1S
Single photon counting Module (SPCM)Laser Cpmponents LTD.Count -100C-FCFC connecting
Time-to-amplitude converter (TAC)Ortec INC.567

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ekert, A. K., et al. Quantum cryptography based on Bell's theorem. Physical Review Letters. 67, 661-663 (1991).
  2. Mattle, K., Weinfurter, H., Kwiat, P. G., Zeilinger, A. dense coding in experimental quantum communication. Physical Review Letters. 76, 4656-4659 (1996).
  3. Pan, J. W., Bouwmeester, D., Weinfurter, H., Zeilinger, A. experimental entanglement swapping: entangling photons that never interacted. Physical Review Letters. 80, 3891-3894 (1998).
  4. Bouwmeester, D., et al. Experimental quantum teleportation. Nature. 390, 575-579 (1997).
  5. Armstrong, D. J., Alford, W. J., Raymond, T. D., Smith, A. V. Absolute measurement of the effective nonlinearities of KTP and BBO crystals by optical parametric amplification. Applied Optics. 35, 2032-2040 (1996).
  6. Shi, B. S., Tomita, A. Generation of a pulsed polarization entangled photon pair using a Sagnac interferometer. Physical Review A. 69, 013803(2004).
  7. Kim, T., Fiorentino, M., Wong, F. N. C. Phase-stable source of polarization-entangled photons using a polarization Sagnac interferometer. Physical Review A. 73, 012316(2006).
  8. Steinlechner, F., et al. Efficient heralding of polarization-entangled photons from type-0 and type-II spontaneous parametric downconversion in periodically poled KTiOPO4. Journal of the Optical Society of America B. 31, 2068(2014).
  9. Steinlechner, F., et al. Phase-stable source of polarization-entangled photons in a linear double-pass configuration. Optics Express. 21, 11943-11951 (2013).
  10. Okano, M., et al. 0.54 resolution two-photon interference with dispersion cancellation for quantum optical coherence tomography. Scientific Reports. 5, 18042(2015).
  11. Dayan, B., Pe'er, A., Friesem, A. A., Silberberg, Y. Nonlinear interactions with an ultrahigh flux of broadband entangled photons. Physical Review Letters. 94, 043602(2005).
  12. Nasr, M. B., et al. Ultrabroadband biphotons generated via chirped quasi-phase-matched optical parametric down-conversion. Physical Review Letters. 100, 183601(2008).
  13. Giovannetti, V., Lloyd, S., Maccone, L., Wong, F. N. C. Clock synchronization with dispersion cancellation. Physical Review Letters. 87, 117902(2001).
  14. Hofmann, H. F., Ren, C. Direct observation of temporal coherence by weak projective measurements of photon arrival time. Physical Review Letters A. 87, 062109(2013).
  15. Mikhailova, Y. M., Volkov, P. A., Fedorov, M. V. Biphoton wave packets in parametric down-conversion: Spectral and temporal structure and degree of entanglement. Physical Review A. 78, 062327(2008).
  16. Jabir, M. V., Samanta, G. K. Robust, high brightness, degenerate entangled photon source at room temperature. Scientific Reports. 7, 12613(2017).
  17. Terashima, H., Kobayashi, S., Tsubakiyama, T., Sanaka, K. Quantum interferometric generation of polarization entangled photons. Scientific Reports. 8, 15733(2018).
  18. Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., Kwiat, P. G. Photonic state tomography. Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics. 52, 105-159 (2005).
  19. Hong, C. K., Ou, Z. Y., Mandel, L. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference. Physical Review Letters. 59, 2044-2046 (1987).
  20. Hudson, A. J., et al. Coherence of an Entangled Exciton-Photon State. Physical Review Letters. 99, 266802(2007).
  21. Young, R. J., et al. Bell-Inequality Violation with a Triggered Photon-Pair Source. Physical Review Letters. , 102(2009).

Herprints en machtigingen

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

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Sagnac interferometerparametrische neerconversiefotonenpaargeneratieBell parametermetinggetrouwheidsanalysecoincidentiedetectieppKTP kristalenkel foton telling

Gerelateerde artikelen