Generowanie i koherentne sterowanie pulsacyjnymi kwantowymi grzebieniami częstotliwości
8 czerwca 2018
Przedstawiono protokół do praktycznego generowania i spójnego manipulowania wysokowymiarowymi splątanymi stanami fotonów w bin częstotliwości przy użyciu zintegrowanych mikrownęk i standardowych komponentów telekomunikacyjnych.
Ogólnym celem tego protokołu jest generowanie i spójne sterowanie impulsowymi grzebieniami częstotliwości kwantowej, które mogą być wykorzystywane do przetwarzania informacji kwantowych. Metoda ta może pomóc nam w dostarczeniu narzędzi do podstawowych badań mechaniki kwantowej oraz do realizacji nieklasycznych technologii, takich jak komunikacja kwantowa i przetwarzanie informacji. Główną zaletą tej techniki jest to, że dobrze znane komponenty i protokoły telekomunikacyjne są wykorzystywane do generowania i kontrolowania złożonych optycznych stanów kwantowych w rekonfigurowalny i skalowalny sposób.
Wpadliśmy na ten pomysł, kiedy rozmawialiśmy z moim kolegą Jose Azana, który jest ekspertem w dziedzinie przetwarzania telekomunikacyjnego, i zdaliśmy sobie sprawę, że możemy przenieść te narzędzia do świata obiektów kwantowych. Ustaw komponenty systemu na stole optycznym. System składa się z etapów generowania, sterowania i przetwarzania.
Ten obraz stanowi ogólny przegląd. Wszystkie elementy połączone są polaryzacją z zachowaniem światłowodu. Na razie skup się na etapie wytwarzania.
Ten stopień jest wyposażony w rezonator mikropierścieniowy osadzony w większej wnęce zewnętrznej. Wnęka zewnętrzna wykonana jest z elektrooptycznego modulatora amplitudy napędzanego przez generator sygnału, izolator oraz wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem zapewniający wzmocnienie optyczne. Znajduje się tam wąski filtr z pasmem przepustowym wybierającym pojedynczy rezonans mikrownęki oraz filtr wycinający kierujący wygenerowane fotony do sekcji kontrolnej.
Przy odłączonej wnęce zainicjuj wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem. Użyj miernika mocy optycznej za modulatorem amplitudy, aby zmierzyć przesyłaną moc. W modulatorze użyj zasilacza, aby zastosować przesunięcie prądu stałego, aby mieć przesyłaną moc.
Podłącz ponownie wnękę i włóż szybką fotodiodę do innego portu pierścieniowego. Użyj oscyloskopu, aby obserwować jego sygnał w dziedzinie czasu. Bez włączonego modulatora wyjście będzie wykazywać niestabilną pracę impulsową z ciągiem impulsów niskiej jakości.
Wróć do modulatora amplitudy i podłącz generator funkcyjny. Ustaw częstotliwość wyjściową generatora na wielokrotność przybliżonego odstępu między trybami wnęki zewnętrznej. Wybór przebiegu prostokątnego lub sinusoidalnego i włączenie generatora funkcji.
Dostosuj częstotliwość generatora funkcyjnego i przesunięcie prądu stałego, aby zoptymalizować i ustabilizować ciąg impulsów na oscyloskopie. Ręcznie dostosuj wzmocnienie, aby ustawić intensywność impulsu. Nieliniowy proces mieszania czterech fal wewnątrz rezonatora pierścieniowego tworzy teraz pary fotonów sygnału i idlera, które opuszczą zewnętrzną wnękę na filtrze wycinającym.
Podłączyć sygnał synchronizacji z generatora funkcyjnego do elektroniki rozrządu. Szybkość generowania tego impulsowego grzebienia częstotliwości kwantowej może być zwiększona poprzez napędzanie modulatora wyższymi harmonicznych odstępu częstotliwości zewnętrznej wnęki, wchodząc w ten sposób w maszynę blokującą tryb harmoniczny. Wzmocnienie wzmacniacza musi być wtedy również zwiększone, aby zapewnić taką samą moc na impuls.
Po filtrze wycinającym w fazie generowania splątane fotony wchodzą w fazę kontroli. Tam, w kolejności, napotykają programowalny filtr, modulator fazy i drugi programowalny filtr. Najpierw zaprogramuj filtry.
Ustaw amplitudę żądanych kanałów w trybie częstotliwości i wycisz pozostałe. Podobnie zdecyduj się na żądaną maskę fazy. Zrób to dla każdego filtra.
Ten obraz przedstawia amplitudę i fazę dla pomiaru koincydencji. Aby przygotować modulator fazy, podłącz generator sygnału do wzmacniacza RF za pomocą niskostratnych. Następnie podłącz wzmacniacz RF do modulatora fazy.
Gdy wszystkie końce RF zostaną podłączone i zakończone, odchyl amplifier. Ustaw generator sygnału RF tak, aby tworzył wstęgi boczne, które nakładają się na żądane tryby częstotliwości, a następnie włącz go. W ramach testu skonfiguruj system tak, aby wysyłał wiązkę lasera o fali ciągłej przez modulator fazy.
Użyj optycznego analizatora widma, aby sprawdzić, czy widmo wejściowe wytwarza widmo wyjściowe odpowiadające zamierzonej modulacji dla eksperymentu. Aby kontynuować, podłącz modulator fazy do programowalnych filtrów. Podczas ustawiania wzorca modulacji fazy ważne jest, aby określić, jaki wzorzec utworzy docelowe pasma boczne częstotliwości dla wybranej operacji.
Będzie to zależało od wymiaru użytego stanu kwantowego oraz od odstępów rezonansowych mikrownęki. Pary fotonów ze stadium generowania wchodzą w fazę sterowania. Pierwszy filtr ustawia zaprogramowaną amplitudę i fazę.
Następnie modulator fazy tworzy niezbędne pasma boczne częstotliwości. Drugi filtr wybiera parę sygnału i koła pasowego. Po wejściu do etapu przetwarzania oddziel splątane fotony za pomocą gęstego multipleksera z podziałem długości fali.
Stamtąd każdy z nich trafia do detektorów pojedynczych fotonów. Rejestruj czas nadejścia każdego fotonu za pomocą elektroniki czasowej skonfigurowanej do pomiaru koincydencji. Konfiguracja pozwala na spójną kontrolę nad stanami fotonów.
W tym przypadku pasma boczne częstotliwości są generowane przez modulację fazy. Odstępy i amplitudy wstęgi bocznej są określane przez sygnał modulujący. Koherentna kontrola stanu fotonów może być wykorzystana w tomografii stanów kwantowych.
Jest to przykładowa rekonstrukcja macierzy gęstości stanu dla układu dwufotonowego o wymiarowości trzech dla każdego fotonu. Wierność między zmierzonymi i maksymalnie splątanymi stanami wynosi około 81%Technika generowania impulsowej wysokiej częstotliwości powtarzania nie ogranicza się do rezonatorów mikropierścieniowych i może być stosowana do innych wnęk optycznych, takich jak falowody kryształkowe fotoniczne, dyskietki i nieliniowe wnęki drugiego rzędu. Wraz z opracowaniem platforma łączy uznane techniki telekomunikacyjne z technologiami kwantowymi w kierunku potencjalnych zastosowań, takich jak bezpieczna komunikacja z dużą szybkością w kanałach multipleksowych lub wielowymiarowe operacje kwantowe.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje generowanie i koherentną manipulację wysokowymiarowymi splątanymi stanami fotonów w binach częstotliwości z wykorzystaniem zintegrowanych mikrownęk oraz komponentów telekomunikacyjnych. Jego celem jest ułatwienie przetwarzania informacji kwantowej za pomocą impulsowych kwantowych grzebieni częstotliwości.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mechanika kwantowa
- Kwantowe przetwarzanie informacji
- Optyczne stany kwantowe
Wstęp
- Kwantowe grzebienie częstotliwości są niezbędne dla różnych technologii kwantowych.
- Komponenty telekomunikacyjne są wykorzystywane do manipulacji stanami kwantowymi.
- Integracja tych komponentów umożliwia skalowalność i rekonfigurowalność.
- Współpraca z ekspertami w zakresie przetwarzania telekomunikacyjnego usprawnia to podejście.
Cel badania
- W celu generowania i kontrolowania złożonych optycznych stanów kwantowych.
- W celu dostarczenia narzędzi do fundamentalnych badań w zakresie mechaniki kwantowej.
- W celu realizacji technologii nieklasycznych, takich jak komunikacja kwantowa.
Zastosowane Metody
- Konfiguracja komponentów na stole optycznym.
- Etapy generowania, kontroli i przetwarzania stanów kwantowych.
- Wykorzystanie standardowych protokołów telekomunikacyjnych.
- Koherentna manipulacja stanami fotonów splątanych w domenach częstotliwości.
Główne wyniki
- Pomyślna generacja impulsowych kwantowych grzebieni częstotliwości.
- Wykazanie koherentnej kontroli nad złożonymi stanami kwantowymi.
- Opracowanie skalowalnej metody przetwarzania informacji kwantowych.
- Efektywne wykorzystanie sprawdzonych komponentów telekomunikacyjnych.
Wnioski
- Protokół ten zapewnia praktyczne podejście do manipulacji stanami kwantowymi.
- Niweluje on lukę między telekomunikacją a technologiami kwantowymi.
- Metoda ta daje nadzieję na rozwój komunikacji kwantowej.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia skalowalną generację i koherentną kontrolę wysokowymiarowych splątanych stanów fotonowych z wykorzystaniem rekonfigurowalnych komponentów telekomunikacyjnych, oferując praktyczną ścieżkę dla badań nad przetwarzaniem informacji kwantowych. Dzięki wykorzystaniu istniejącej infrastruktury telekomunikacyjnej, metoda ta zmniejsza złożoność przygotowywania stanów kwantowych na chipie, co zwiększa pewność predykcyjną we wczesnych etapach oceny technologii kwantowych. Podejście to rozwiązuje kluczowy problem etapu odkrywczego w komunikacji kwantowej: osiągnięcie stabilnej, wysokowydajnej generacji splątania z możliwościami koherentnej manipulacji.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez dotyczących wysokowymiarowych stanów kwantowych poprzez generowanie i charakteryzację splątania w binach częstotliwości.
- Wartość operacyjna: Zapewnia rekonfigurowalną platformę do testowania protokołów manipulacji stanami kwantowymi z wykorzystaniem standardowych komponentów telekomunikacyjnych.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Wspiera przygotowanie zwalidowanych stanów kwantowego grzebienia częstotliwości dla późniejszych etapów procesów przetwarzania informacji kwantowych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzację testów poprzez koherentną kontrolę stanów fotonów przy użyciu programowalnych filtrów i modulatorów elektrooptycznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ciągłość translacyjną od etapu odkryć do przedklinicznej walidacji protokołów komunikacji kwantowej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia skalowalność dla wysokowymiarowych operacji kwantowych istotnych w bezpiecznej komunikacji multipleksowej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć kwantowych, od generowania stanów po sterowanie i pomiary, wspierając wczesnym etapie ocenę modalności przetwarzania informacji kwantowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wielowymiarowego splątania poprzez stabilne generowanie impulsowych kwantowych grzebieni częstotliwości.
- Przesiewanie: Opisuje gotowość testową poprzez koherentną manipulację stanami fotonów z wykorzystaniem komponentów telekomunikacyjnych.
- Analityka: Wskazuje na wyniki ilościowe, takie jak rekonstrukcja macierzy gęstości i detekcja koincydencji w celu charakterystyki stanu.
- Badania translacyjne: Łączy z ciągłością przedkliniczną poprzez skalowalną manipulację stanami kwantowymi dla protokołów komunikacyjnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Pozycjonuje metodę jako możliwość ponownego wykorzystania w przygotowaniu stanów kwantowych w wielu konfiguracjach eksperymentalnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Przewidywalna pewność w przygotowaniu stanu kwantowego, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w splątaniu wysokowymiarowym.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność z wykorzystaniem uznanych komponentów telekomunikacyjnych.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje typu go/no-go w inwestycjach w technologię kwantową, efektywność kapitałowa, zredukowane ryzyko biologiczne na późnych etapach w systemach kwantowych.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja podejść w komunikacji kwantowej skorygowana o ryzyko, w oparciu o wierność stanu i szybkość generowania.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu optyki kwantowej, komponentów telekomunikacyjnych oraz optyki nieliniowej.
- Wymaga aparatury, w tym laserów z blokadą modów, wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem, filtrów programowalnych, modulatorów elektrooptycznych oraz detektorów pojedynczych fotonów.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w celu integracji procesów kwantowych i telekomunikacyjnych.
- Obejmuje kwestie adaptacyjne w odniesieniu do różnych typów wnęk, takich jak mikropierścieniowe rezonatory, falowody z kryształów fotonicznych oraz mikrodyski.
- Uwzględnia ograniczenia praktyczne, takie jak konieczność precyzyjnego strojenia częstotliwości modulatora i przesunięcia DC w celu stabilizacji ciągów impulsów.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
