Generatie en coherente controle van gepulste Quantum frequentie kammen
8 juni 2018
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.
Het algemene doel van dit protocol is om gepulseerde kwantumfrequentiekammen te genereren en coherent te besturen die kunnen worden gebruikt voor kwantuminformatie verwerking. Deze methode kan ons helpen de tools te bieden voor fundamentele onderzoeken van kwantummechanica en voor het realiseren van niet-klassieke technologieën, zoals kwantumcommunicatie en informatieverwerking. Het grote voordeel van deze techniek is dat goed gevestigde telecommunicatiecomponenten en protocollen worden gebruikt om complexe optische kwantumtoestanden op een herconfigureerbare en schaalbare manier te genereren en te besturen.
We kregen dit idee toen we spraken met mijn collega Jose Azana, die een expert is in telecommunicatieverwerking, en we realiseerden ons dat we deze tools naar de wereld van kwantumobjecten konden overbrengen. Stel de componenten van het systeem op een optische tafel op. Het systeem heeft fasen voor generatie, controle en verwerking.
Deze afbeelding geeft een overzicht. Alle elementen zijn verbonden met polarisatieonderhoudende optische vezel. Richt u voorlopig op de generatiefase.
Deze fase bevat een micro-ringresonator op een chip die is ingebed in een grotere externe holte. De externe holte is gemaakt van een elektro-optische amplitudemodulator die wordt aangedreven door een signaalgenerator, een isolator en een erbium-gedopeerde vezelversterker die optische versterking biedt. Er is een smalle filter met een doorlaatband die een enkele microholteresonantie selecteert en een notchfilter dat de gegenereerde fotonen naar de controlesectie leidt.
Met de holte losgekoppeld, start de erbium-gedopeerde vezelversterker. Gebruik een optische vermogensmeter na de amplitudemodulator om het verzonden vermogen te meten. Bij de modulator gebruikt u een voeding om een DC-offset toe te passen om het verzonden vermogen te hebben.
Verbind de holte opnieuw en plaats een snelle fotodiode in een andere ringpoort. Gebruik een oscilloscoop om het signaal in het tijdsdomein te observeren. Zonder dat de modulator is geactiveerd, zal het uitgangssignaal onstabiele pulswerking vertonen met een laagwaardige pulstrein.
Ga terug naar de amplitudemodulator en sluit de functiegenerator aan. Stel de uitgangsfrequentie van de generator in op een veelvoud van de geschatte externe holtemodulatintermiddenafstand. Selecteer een rechthoekige of sinusgolfvorm en zet de functiegenerator aan.
Stel de frequentie van de functiegenerator en DC-offset af om de pulstrein op de oscilloscoop te optimaliseren en te stabiliseren. Pas de versterking handmatig aan om de pulsintensiteit in te stellen. Het niet-lineaire viergolfmengingsproces in de ringresonator creëert nu signaal- en idlerfotonparen die de externe holte bij de notchfilter verlaten.
Verbind het synchronisatiesignaal van de functiegenerator met de timingelektronica. De generatiesnelheid van deze gepulseerde kwantumfrequentiekam kan worden verhoogd door de modulator te besturen op een hogere harmoniek van de externe holtefrequentieafstand, waardoor een harmonische modevergrendelingsmachine wordt gestart. De versterkerversterking moet dan ook worden verhoogd om dezelfde vermogens per puls te garanderen.
Na de notchfilter in de generatiefase komen de verstrengelde fotonen de controlefase binnen. Daar ontmoeten ze in volgorde een programmeerbare filter, een fasemodulator en een tweede programmeerbare filter. Programmeer eerst de filters.
Stel de amplitude van de gewenste frequentiemoduskanalen in en dempt de andere. Bepaal op dezelfde manier het gewenste fasemasker. Doe dit voor elke filter.
Deze afbeelding toont de amplitude en fase voor een toevalsmeting. Om de fasemodulator voor te bereiden, verbindt u de signaalgenerator met de RF-versterker met kabels met lage verliezen. Verbind vervolgens de RF-versterker met de fasemodulator.
Zodra alle RF-uiteinden zijn aangesloten en afgesloten, belast u de versterker. Stel de RF-signaalgenerator in om zijbanden te creëren die overlappen met de gewenste frequentiemodi en zet deze aan. Stel als test het systeem in om een continue golflaserstraal door de fasemodulator te sturen.
Gebruik een optische spectrumanalysator om te controleren of het ingangsspectrum een uitgangsspectrum produceert dat overeenkomt met de beoogde modulatie voor het experiment. Om door te gaan, verbindt u de fasemodulator met de programmeerbare filters. Bij het instellen van het fasemodulatiepatroon is het belangrijk om te bepalen welk patroon de beoogde frequentiezijbanden voor de gekozen werking zal creëren.
Dit hangt af van de dimensie van de gebruikte kwantumtoestand en van de microholteresonantieafstand. De fotonparen van de generatiefase komen de controlefase binnen. De eerste filter stelt de geprogrammeerde amplitude en fase in.
Vervolgens creëert de fasemodulator de nodige frequentiezijbanden. De tweede filter selecteert het signaal- en idlerpaar. Bij ingang naar de verwerkingsfase, scheidt u de verstrengelde fotonen met een dichte golflengtedeelmultiplexer.
Van daaruit gaan ze elk naar enkele fotondetektoren. Noteer de aankomsttijd van elke foton met behulp van timingelektronica die is ingesteld voor toevalsmeting. De setup staat coherente controle over de fotontoestanden toe.
Hier worden frequentiezijbanden gegenereerd via fasemodulatie. De zijbandafstand en amplitudes worden bepaald door het modulerende signaal. Coherente controle van de fotontoestand kan worden gebruikt voor kwantumtoestandstomografie.
Dit is een voorbeeldreconstructie van de toestandsdichtheidsmatrix voor een tweefotonsysteem met een dimensionaliteit van drie voor elke foton. De trouw tussen de gemeten en maximaal verstrengelde toestanden is ongeveer 81% De gepulseerde hoge herhalingssnelheidsgeneratietechniek is niet beperkt tot micro-ringresonatoren en kan worden toegepast op andere optische holten, zoals fotonische kristalgeleiders, microschijven en tweede orde niet-lineaire holten. Met de ontwikkeling ervan combineert het platform gevestigde technieken in telecommunicatie met kwantumtechnologieën voor potentiële toepassingen, zoals beveiligde communicatie met hoge snelheden over multiplexkanalen of hoogdimensionale kwantumoperaties.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft de generatie en coherente manipulatie van hoogdimensionale, in frequentie-bins verstrengelde fotontoestanden met behulp van geïntegreerde microcaviteiten en telecommunicatiecomponenten. Het doel is om quantum informatieverwerking te faciliteren via gepulste quantum frequentiekammen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Kwantummechanica
- Kwantuminformatieverwerking
- Optische kwantumtoestanden
Achtergrond
- Quantumfrequentiekammen zijn essentieel voor diverse quantumtechnologieën.
- Telecommunicatiecomponenten worden ingezet voor de manipulatie van quantumtoestanden.
- De integratie van deze componenten maakt schaalbaarheid en reconfigureerbaarheid mogelijk.
- Samenwerking met experts in telecommunicatieverwerking verbetert de aanpak.
Doel van de studie
- Om complexe optische quantumtoestanden te genereren en te beheersen.
- Om hulpmiddelen te bieden voor fundamentele onderzoeken in de quantummechanica.
- Om niet-klassieke technologieën, zoals quantumcommunicatie, te realiseren.
Gebruikte methoden
- Opstelling van componenten op een optische tafel.
- Fases voor de generatie, controle en verwerking van quantumtoestanden.
- Gebruik van standaard telecommunicatieprotocollen.
- Coherente manipulatie van frequentie-bin verstrengelde fotontoestanden.
Belangrijkste Resultaten
- Succesvolle generatie van gepulste quantumfrequentiekammen.
- Gedemonstreerde coherente controle over complexe quantumtoestanden.
- Vestiging van een schaalbare methode voor quantuminformatieverwerking.
- Effectieve benutting van gevestigde telecommunicatiecomponenten.
Conclusies
- Het protocol biedt een praktische benadering voor de manipulatie van quantumtoestanden.
- Het slaat een brug tussen telecommunicatie en quantumtechnologieën.
- Deze methode is veelbelovend voor de verdere ontwikkeling van quantumcommunicatie.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Dit protocol maakt schaalbare generatie en coherente controle van hoogdimensionele verstrengelde fotontoestanden mogelijk met behulp van reconfigureerbare telecommunicatiecomponenten, wat een praktisch pad biedt voor onderzoek naar quantuminformatieverwerking. Door gebruik te maken van gevestigde telecominfrastructuur wordt de complexiteit bij het voorbereiden van on-chip quantumtoestanden verminderd, wat bijdraagt aan de voorspellende betrouwbaarheid bij de evaluatie van quantumtechnologie in een vroeg stadium. De aanpak pakt een cruciale uitdaging in de ontdekkingsfase van quantumcommunicatie aan: het bereiken van stabiele, hoog-rate verstrengelingsgeneratie met coherente manipulatiemogelijkheden.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om hypothesen over hoog-dimensionale quantumtoestanden te onderzoeken via de generatie en karakterisering van frequentie-bin verstrengeling.
- Operationele waarde: Biedt een reconfigureerbaar platform voor het testen van protocollen voor de manipulatie van quantumtoestanden met behulp van standaard telecomcomponenten.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt de preparatie van gevalideerde quantumfrequentiekam-toestanden voor downstream workflows voor quantuminformatieverwerking.
- Operationele waarde: Maakt assay-standaardisatie mogelijk via coherente controle van fotontoestanden met behulp van programmeerbare filters en elektro-optische modulatoren.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert translationele continuïteit van ontdekking naar preklinische validatie van quantumcommunicatieprotocollen.
- Operationele waarde: Biedt schaalbaarheid voor hoog-dimensionale quantumoperaties die relevant zijn voor veilige gemultiplexte communicatie.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het continuüm van quantumontdekking, van toestandsgeneratie tot controle en meting, ter ondersteuning van de evaluatie in een vroeg stadium van modaliteiten voor quantuminformatieverwerking.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing van hoogdimensionale verstrengeling via stabiele gepulseerde quantumfrequentiekam-generatie.
- Screening: Beschrijft de assay-gereedheid via coherente manipulatie van fotonentoestanden met behulp van telecom-gebaseerde componenten.
- Analytics: Benadrukt kwantitatieve output, zoals dichtheidsmatrixreconstructie en coincidentiedetectie voor toestandscharacterisering.
- Translational Research: Legt een verband met preklinische continuïteit via schaalbare quantumtoestandsmanipulatie voor communicatieprotocollen.
- Enterprise Reuse: Positioneert de methode als een herbruikbare mogelijkheid voor de preparatie van quantumtoestanden in meerdere experimentele configuraties.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in de voorbereiding van quantumtoestanden, vermindering van mechanistische ambiguïteit bij hoogdimensionale verstrengeling.
- Operationele waarde: Standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid met behulp van gevestigde telecomcomponenten.
- Strategische waarde: Betere go/no-go beslissingen bij investeringen in quantumtechnologie, kapitaalefficiëntie, verminderd biologisch risico in een laat stadium bij quantumsystemen.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering van quantumcommunicatiebenaderingen op basis van toestandgetrouwheid en generatiesnelheid.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in quantumoptica, telecommunicatiecomponenten en niet-lineaire optica.
- Vereist instrumentatie waaronder mode-locked lasers, erbium-gedopeerde glasvezelversterkers, programmeerbare filters, elektro-optische modulatoren en enkel-fotondetectoren.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de integratie van quantum- en telecomworkflows.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen bij verschillende caviteitstypen, zoals microring-resonatoren, fotonische kristal-golfgeleiders en microschijven.
- Omvat praktische beperkingen zoals de noodzaak voor nauwkeurige afstemming van de modulatorfrequentie en DC-offset om pulstreinen te stabiliseren.
Veelgestelde vragen over biopharma
Chapters in this video
0:04
Title
0:52
Generation of the High-dimensional Frequency-bin Entangled States via Pulsed Excitation
3:18
Control and Processing of the High-dimensional Frequency-bin Entangled States
5:25
Results: Manipulation of Sidebands and Density Matrix Reconstruction
6:03
Conclusion
