Inżynieria stanu kwantowego światła za pomocą optycznych oscylatorów parametrycznych o fali ciągłej

Podsumowanie

Opisujemy niezawodne generowanie niegaussowskich stanów podróżujących pól optycznych, w tym stanów pojedynczych fotonów i superpozycji stanów koherentnych, przy użyciu metody warunkowego przygotowania działającej na nieklasycznym świetle emitowanym przez optyczne oscylatory parametryczne. Rozważane są oscylatory typu I i typu II z dopasowaniem fazowym i szczegółowo opisano typowe procedury, takie jak wymagane filtrowanie częstotliwości lub charakterystyka stanu kwantowego o wysokiej wydajności za pomocą homodynowania.

Streszczenie

Inżynieria nieklasycznych stanów pola elektromagnetycznego jest głównym zadaniem optyki kwantowej^1,2. Poza ich fundamentalnym znaczeniem, takie stany są w rzeczywistości zasobami do wdrażania różnych protokołów, od ulepszonej metrologii po komunikację kwantową i obliczenia. Do generowania stanów nieklasycznych można wykorzystać różne urządzenia, takie jak pojedyncze emitery, interfejsy światło-materia lub układy nieliniowe³. Skupiamy się tutaj na zastosowaniu optycznego oscylatora parametrycznego o fali ciągłej^3,4. System ten oparty jest na nieliniowym krysztale χ² umieszczonym we wnęce optycznej i jest obecnie dobrze znany jako bardzo wydajne źródło nieklasycznego światła, takiego jak jednomodowa lub dwumodowa próżnia ściskana, w zależności od dopasowania faz krystalicznych.
Ściśnięta próżnia jest stanem Gaussa, ponieważ jej rozkłady kwadraturowe są zgodne ze statystyką Gaussa. Wykazano jednak, że wiele protokołów wymaga stanów niegaussowskich⁵. Bezpośrednie generowanie takich stanów jest trudnym zadaniem i wymagałoby silnych nieliniowości χ³. Inna procedura, probabilistyczna, ale zapowiadana, polega na wykorzystaniu nieliniowości wywołanej pomiarem za pomocą techniki preparacji warunkowej operowanej na stanach Gaussa. W tym miejscu szczegółowo opisujemy ten protokół generowania dla dwóch stanów niegaussowskich, stanu pojedynczego fotonu i superpozycji stanów koherentnych, używając dwóch różnie dopasowanych fazowo oscylatorów parametrycznych jako zasobów podstawowych. Technika ta umożliwia osiągnięcie wysokiej wierności ze stanem docelowym i wygenerowanie stanu w dobrze kontrolowanym trybie czasoprzestrzennym.

Wprowadzenie

Zdolność do inżynierii stanu kwantowego przesyłanych pól optycznych jest kluczowym wymaganiem dla nauki i technologii informacji kwantowej¹, w tym dla komunikacji, obliczeń i metrologii kwantowej. W niniejszej pracy omawiamy przygotowanie i charakterystykę niektórych specyficznych stanów kwantowych, wykorzystując jako główne źródło światło emitowane przez optyczne oscylatory parametryczne (OPO) w trybie ciągłym^3,4, pracujące poniżej progu wzbudzenia. W szczególności rozważone zostaną dwa systemy – OPO z dopasowaniem fazowym typu II oraz OPO typu I – umożliwiające odpowiednio niezawodną generację zwiastowanych pojedynczych fotonów oraz superpozycj....

Protokół

1. Optyczny oscylator parametryczny

1. Zbuduj półmonolityczną wnękę liniową o długości 4 cm (w celu poprawy stabilności mechanicznej i zmniejszenia strat wewnątrz wnęki). Lustro wejściowe jest bezpośrednio powlekane na jednej powierzchni kryształu nieliniowego.
2. Wybierz odbicie sprzęgła wejściowego 95% dla pompy przy 532 nm i wysokie odbicie dla sygnału i koła napinającego przy 1 064 nm. I odwrotnie, wybierz łącznik wyjściowy tak, aby był silnie odblaskowy dla pompy i miał transmitancję T = 10% dla podczerwieni. Swobodny zakres spektralny OPO jest równy Δω = 4,3 GHz, a szerokość pasma wynosi około 60 MHz. Spraw, aby wnęka była potrójnie rezonansowa, ....

Wyniki

W przypadku OPO typu II i generowania stanu pojedynczego fotonu o wysokiej wierności:
Tomograficzna rekonstrukcja stanu zapowiadanego jest przedstawiona na Rysunku 2, gdzie wyświetlono elementy diagonalne zrekonstruowanej macierzy gęstości oraz odpowiadającą im funkcję Wignera. Bez korekt na straty, stan zapowiadany wykazuje udział składowej pojedynczego fotonu na poziomie aż 78%. Po uwzględnieniu całkowitych strat detekcji (15%), wierność stanu względem stanu pojedynczego fotonu osiąga 91%. Składowa.......

Dyskusja

Przedstawiona tutaj technika przygotowania warunkowego polega zawsze na wzajemnym oddziaływaniu między początkowym zasobem dwudzielnym a pomiarem wykonanym przez detektor zwiastujący. Te dwie składowe silnie wpływają na właściwości kwantowe generowanego stanu.

Po pierwsze, czystość przygotowanych stanów silnie zależy od czystości surowca wyjściowego, dlatego wymagany jest "dobry" OPO. Co to jest "dobry" OPO? Jest to urządzenie, dla którego η skuteczności ucieczki jest bliskie jedności. Paramet.......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Laser pompujący	Innolight	Diabolo	Podwójne wyjście, IR i
kryształ KTP i PPKTP	Raicol		Dostępne u innych dostawców
Filtry interferencyjne	Barr kojarzy Fotodiody
o wysokiej	sprawności Fermionika		Sprawność kwantowa powyżej 97%
Oscyloskop	Biegacz falowy Lecroy	610 Zi	Służy do akwizycji danych
Analizator widma	Agilent	N9000A	Dostępne u innych dostawców Rotator
Faradaya	Qioptic	FR-1060-5SC	Dostępne u innych dostawców
PZT	PI	P-016.00H	Dostępne u innych dostawców
Nadprzewodzące detektory pojedynczych fotonów	Scontel	SSPD	low dark liczy
Przełącznik optyczny	Thorlabs	OSW12-980E	Dostępne u innych dostawców

532 nm