System fotoniczny do generowania bezwarunkowych fotonów splątanych polaryzacją w oparciu o wielokrotne interferencje kwantowe
5 września 2019
Opisujemy system optyczny do generowania bezwarunkowych fotonów splątanych polaryzacją na podstawie wielokrotnych efektów interferencji kwantowej za pomocą schematu detekcji w celu oszacowania eksperymentalnej wierności generowanych splątanych fotonów.
Przedstawiamy wysokowydajny system fotoniczny, który wykorzystuje efekt wielokrotnej interferencji kwantowej do wytwarzania splątanych polaryzacyjnie, zdegenerowanych, wolnych od postselekcji fotonów przy wysokiej szybkości emisji z dużym rozkładem szerokopasmowym. Nasze podejście wykorzystuje proces wielokrotnej odwróconej interferencji Hong-Ou-Mandela do wytwarzania fotonów splątanych polaryzacją z wysoką wydajnością generowania i niezawodną separacją zdegenerowanych par fotonów na różne mody optyczne bez późniejszej selekcji. Aby rozpocząć, włącz diodę laserową i ustaw moc na kilka miliwatów.
Proszę siatkę holograficzną pod kątem około 45 stopni w stosunku do powierzchni diody laserowej i dostosuj kąt, aż intensywność wiązki wydaje się być zmaksymalizowana. Następnie podłącz laser do światłowodu utrzymującego polaryzację. Skieruj światłowód do miernika mocy i wyreguluj sprzęgające, aby zmaksymalizować moc wyjściową.
Skieruj laser przez izolator wolnej przestrzeni. Następnie umieść płytkę półfalową i płytkę ćwierćfalową dla światła 405 nanometrów na ścieżce wiązki. Ustaw kąty płyty, aby uzyskać żądany stan polaryzacji wiązki.
Następnie umieść krótkoprzepustowe zwierciadło dichroiczne i polaryzacyjny sześcian rozdzielający wiązkę na ścieżce wiązki. Użyj zwykłego lustra, aby skierować odbitą wiązkę spolaryzowaną równolegle do przesyłanej wiązki spolaryzowanej p. Umieść kryształ ppKTP typu zero na platformie o kontrolowanej temperaturze, zamontowanej na ścieżce wiązki.
Dostosuj platformę, aż rozszczepione promienie przejdą przez kryształ. Następnie wyreguluj rozdzielacz wiązki i lustra, aż obie wiązki spolaryzowane i p będą równoległe przez kilka metrów. Do tej regulacji należy użyć zarówno lasera pompującego 405 nm, jak i lasera referencyjnego 810 nm.
Następnie zamontuj dwufalową płytkę półfalową po obu stronach kryształu ppKTP, prostopadle do padającego światła. Płytka półfalowa między rozdzielaczem wiązki a kryształem została wcześniej ustawiona na 22,5 stopnia, a druga płytka na 45 stopni. Następnie umieść retroreflektor na końcu konfiguracji, aby skierować wiązki przekształcone w dół z powrotem przez kryształ ppKTP i płytkę półfalową 22.5 stopnia.
Ustaw płytę półfalową pod kątem 45 stopni tak, aby przechodziła przez nią tylko wiązka przychodząca odbita od rozdzielacza wiązki i wiązka wychodząca z drugiej strony. Upewnij się, że obie wiązki wychodzące są skierowane do rozdzielacza wiązki, aby wygenerować wiązki fotonów zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Umieść profilery wiązki kamery CCD w jednej linii z wyjściowymi wiązkami fotonów.
Wyreguluj lusterka i odbłyśnik tak, aby pary wiązek w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara znajdowały się w tych samych trybach przestrzennych. Następnie zamontuj 300-milimetrową soczewkę skupiającą między płytką ćwierćfalową a zwierciadłem dichroicznym. Ustaw soczewkę tak, aby ognisko wiązki laserowej pompy znajdowało się w pobliżu pozycji generowania drugiej konwersji fotonu w dół w krysztale ppKTP.
Usuń profilery wiązki i umieść płytkę ćwierćfalową, polaryzator siatki drucianej i filtr interferencyjny na ścieżce każdej wiązki wyjściowej. Połącz wiązki ze światłowodami wielomodowymi za pomocą soczewki kolimatora. Umieść 300-milimetrową soczewkę skupiającą przed każdą płytką ćwierćfalową i skup wiązki wyjściowe na kolimatorach.
Następnie podłącz światłowody wielomodowe do modułów zliczających pojedyncze fotony, które wykorzystują krzemowe fotodiody lawinowe. Po pełnym zmontowaniu konfiguracji wyłącz laser referencyjny i ponownie podłącz laser diodowy. Wyłącz światła w pomieszczeniu i wyłącz całe światło zewnętrzne.
Następnie włącz moduły zliczające i policz fotony przekonwertowane w dół. Następnie dostosuj temperaturę kryształu ppKTP i kąt nachylenia płytki półfalowej o kącie 45 stopni, aby poprawić szybkość zliczania fotonów przekonwertowanych w dół. Powtarzaj pomiary i regulacje, aż szybkość zliczania zostanie zmaksymalizowana.
Przed pomiarem ustaw kąty płytek ćwierćfalowych i polaryzatorów dla wiązek wyjściowych, aby uzyskać żądaną podstawę polaryzacji dla pomiaru. Następnie podłącz moduł zliczający pojedyncze fotony wiązki wyjściowej odbitej od zwierciadła dichroicznego do wejścia sygnału startowego konwertera czasu do amplitudy. Podłącz drugą wiązkę do wejścia sygnału stopu za pomocą elektrycznego przewodu opóźniającego.
Ustaw czas opóźnienia na 50 nanosekund, a wyświetlany zakres czasu na 100 nanosekund. Otwórz oprogramowanie przyrządu, ustaw czas pomiaru na 30 sekund i rozpocznij pomiar. Po zakończeniu pomiaru zapisz rozkład wysokości impulsu.
Powtórz pomiar z kilkoma kombinacjami podstaw polaryzacji i zidentyfikuj okno czasowe koincydencji na podstawie rozdzielczości czasowej modułów zliczających. Dla każdego pomiaru należy zintegrować obszar pod szczytem w oknie czasowym koincydencji, aby oszacować liczbę koincydencji. Oblicz wierność i parametry Bella, aby potwierdzić, że system generuje fotony splątane polaryzacyjnie.
Analiza pomiarów detekcji koincydencji z sześciu kombinacji baz polaryzacji potwierdziła, że system może generować i wykrywać fotony splątane polaryzacyjnie. Wierność splątania wyniosła 0,85, przekraczając klasyczną granicę korelacji lokalnej wynoszącą 0,5. Wszystkie korelacje z podstaw polaryzacji przekroczyły klasyczną granicę parametrów wynoszącą dwa, naruszając nierówność Bella.
Nasza metoda pozwala na poselekcyjne rozdzielenie zdegenerowanych par fotonów na różne mody optyczne charakterystyczne dla spontanicznej parametrycznej konwersji w dół typu drugiego, przy jednoczesnym zachowaniu dużej szerokości pasma i wysokiej wydajności spontanicznej konwersji parametrycznej w dół typu zero. Ta metoda wykorzystania wielu procesów interferencji kwantowej jest również przydatna do zastosowania splątanych fotonów poprzez wymuszoną emisję spontanicznej parametrycznej konwersji w dół. Dzięki prostocie naszego schematu, możemy jeszcze bardziej poprawić wydajność generowania fotonów splątanych polaryzacyjnie, modyfikując impulsowe pompowanie laserowe i struktury falowodowe w kryształach nieliniowych.
Możemy również generować fotony w teoretycznym paśmie długości fal, zmieniając okres polowania kryształu. Nasza technika poprawia całkowitą szybkość produkcji par fotonów na jednostkę mocy pompy o dwa do trzech rzędów wielkości, dzięki dużej szerokości pasma spontanicznej parametrycznej konwersji w dół typu zero. Duża szerokość pasma skorelowanych par fotonów daje bardzo krótki czas koincydencji, co przyciągnęło duże zainteresowanie do zastosowania w kwantowej optycznej koherentnej tomografii i wielu innych zastosowaniach.
Przegląd
W niniejszym badaniu przedstawiono wysokowydajny układ optyczny do generowania bezwarunkowo splątanych polaryzacyjnie fotonów z wykorzystaniem wielokrotnych efektów interferencji kwantowej. Metoda ta umożliwia efektywną produkcję i niezawodną separację zdegenerowanych par fotonów bez konieczności stosowania postselekcji.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Optyka kwantowa
- Fotonika
- Generowanie splątania
Wstęp
- Fotony splątane w polaryzacji są kluczowe dla komunikacji i obliczeń kwantowych.
- Tradycyjne metody często wymagają postselekcji, co ogranicza wydajność.
- Wielokrotna interferencja kwantowa może zwiększyć tempo generowania fotonów.
- Spontaniczna parametryczna konwersja w dół typu zero i typu dwa są kluczowymi procesami w tej dziedzinie.
Cel badania
- Opracowanie systemu, który wydajnie generuje fotony zaplątane polaryzacyjnie.
- Wyeliminowanie konieczności stosowania postselekcji podczas separacji par fotonów.
- Osiągnięcie wysokiej wierności oraz szerokiego pasma w produkcji fotonów.
Zastosowane Metody
- Wykorzystanie diody laserowej i siatki holograficznej do optymalizacji wiązki.
- Implementacja procesu wielokrotnej odwróconej interferencji Hong-Ou-Mandel.
- Regulacja komponentów optycznych, w tym płytek falowych i dzielników wiązki.
- Pomiar liczby koincydencji w celu oceny wierności splątania.
Główne wyniki
- System osiągnął wierność splątania na poziomie 0.85, przekraczając granice klasyczne.
- Wszystkie bazy polaryzacyjne przekroczyły klasyczny limit parametru wynoszący dwa.
- Wykazano niezawodną separację par fotonów bez zastosowania postselekcji.
- Utrzymano wysoką wydajność generowania w szerokim zakresie szerokości pasma.
Wnioski
- Ta metoda upraszcza generowanie fotonów splątanych polaryzacyjnie.
- Przyszłe ulepszenia mogą zwiększyć wydajność poprzez modyfikacje w pompowaniu laserowym.
- Podejście to jest możliwe do zastosowania w celu generowania fotonów o różnych długościach fal.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ten system fotoniczny umożliwia generowanie splątanych polaryzacyjnie fotonów o wysokiej wierności bez konieczności post-selekcji, rozwiązując kluczowy problem w rozwoju technologii kwantowych dla zastosowań biofarmaceutycznych, takich jak kwantowe sensory oraz bezpieczna komunikacja. Dzięki osiągnięciu wierności splątania przekraczającej granice klasyczne oraz utrzymaniu szerokopasmowego, wysoce wydajnego wyjścia, metoda ta wspiera pewność prognostyczną w rurociągach wczesnego etapu odkrywania kwantowych biomarkerów i walidacji celów. Jej powtarzalność i skalowalność zmniejszają niejednoznaczność mechaniczną w badaniach translacyjnych, oferując platformę wielokrotnego użytku do minimalizowania ryzyka innowacji w zakresie kwantowej diagnostyki i terapii.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez biologii kwantowej poprzez zastosowanie wysokiej wierności par splątanych fotonów do badania oddziaływań biomolekularnych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia generowanie fotonów bez konieczności postselekcji, co zwiększa przepustowość i zmniejsza zmienność eksperymentalną w testach walidacji celu.
Przesiewy i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Dostarcza szerokopasmowe, zdegenerowane pary fotonów, odpowiednie do opracowywania testów optycznych z wzmocnieniem kwantowym o wysokiej rozdzielczości czasowej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną separację par fotonów na odrębne mody optyczne, co wspiera standaryzację w różnych platformach przesiewowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera modelowanie systemów istotnych dla chorób, umożliwiając zastosowanie kwantowej optycznej tomografii koherencyjnej do obrazowania tkanek bez użycia znaczników.
- Wartość operacyjna: Ułatwia przejście od etapu odkryć do walidacji przedklinicznej dzięki stabilnym, wysokowydajnym źródłom splątanych fotonów kompatybilnym z próbkami biologicznymi.
Integracja potoku i przepływu pracy
System ten integruje się z kontinuum procesu odkrywania, umożliwiając zastosowanie technik pomiarowych z wzmocnieniem kwantowym, które wspierają weryfikację hipotez we wczesnej fazie odkrywania, przygotowanie testów do screeningu oraz obrazowanie translacyjne w badaniach przedklinicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez dostarczanie fotonów skorelowanych kwantowo do badania złożonych ścieżek biomolekularnych przy minimalnych zaburzeniach.
- Przesiewanie: Umożliwia opracowywanie testów o wysokiej wydajności generowania i niskim czasie koincydencji, co zwiększa skalowalność badań nad oddziaływaniami związków.
- Analityka: Generuje mierzalne wyniki wierności oraz parametru Bella, co pozwala na obiektywne porównanie jakości splątania w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Łączy się z możliwościami przedklinicznymi poprzez wykazaną przydatność w kwantowej optycznej tomografii koherentnej, która jest nieinwazyjną metodą obrazowania.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Zaprojektowana jako rekonfigurowalna platforma optyczna, którą można dostosować do wielu długości fal poprzez polaryzację kryształów, co zapewnia długoterminową użyteczność w wielu projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Pewność predykcyjna w pomiarach biologii kwantowej, redukcja wyników fałszywie dodatnich poprzez weryfikację splątania.
- Wartość operacyjna: Wysoka szybkość emisji i szerokopasmowe wyjście zapewniają spójne wyniki w kolejnych uruchomieniach, zmniejszając potrzebę przetwarzania wstecznego.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie lepszych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) w rozwoju czujników kwantowych poprzez zapewnienie walidacji splątania bez kompromisów w zakresie wydajności.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja technologii diagnostycznych opartych na mechanice kwantowej z uwzględnieniem ryzyka dzięki zweryfikowanej zdolności generowania splątania.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu optyki kwantowej oraz wyrównywania układów fotonicznych w celu zapewnienia stabilnej pracy interferometru.
- Proces zależy od platform z kryształami nieliniowymi z kontrolą temperatury oraz precyzyjnego sterowania płytkami falowymi w celu dopasowania fazowego.
- Niezbędna jest infrastruktura do detekcji pojedynczych fotonów oraz moduły zliczania skorelowanego w czasie do pomiarów koincydencji.
- Adaptacja do próbek biologicznych może wymagać zminimalizowania rozpraszania i strat fotonów w środowiskach wodnych.
- Optymalizacja wydajności obejmuje iteracyjne strojenie mocy pompy, temperatury kryształu oraz kątów płytek falowych w celu maksymalizacji szybkości zliczania.
