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Engineering

एकाधिक क्वांटम हस्तक्षेप के आधार पर बिना शर्त ध्रुवीकरण-इंटरक्वफोट्ड फोटॉनों उत्पन्न करने के लिए एक Photonic प्रणाली

Published: September 5, 2019 doi: 10.3791/59705
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Physics, Tokyo University of Science

Summary

हम उत्पन्न उलझा फोटॉनों के प्रयोगात्मक निष्ठा का अनुमान लगाने के लिए एक पहचान योजना के साथ कई क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव के आधार पर बिना शर्त ध्रुवीकरण-उलझाफोटफोटफोटों की पीढ़ी के लिए एक ऑप्टिकल प्रणाली का वर्णन.

Abstract

हम बिना शर्त ध्रुवीकरण के एक उच्च प्रदर्शन स्रोत प्रस्तुत-एक उच्च उत्सर्जन दर है कि फोटॉनों, एक ब्रॉडबैंड वितरण, अपभ्रष्ट और पदों के चुनाव मुक्त कर रहे हैं. स्रोत की संपत्ति एक Sagnac इंटरफेरोमीटर के एक दौर ट्रिप विन्यास के साथ कई क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव पर आधारित है. क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव यह संभव ध्रुवीकरण-उलझाफोटफोटफोटों की उच्च पीढ़ी दक्षता का उपयोग करने के लिए पैरामीट्रिक नीचे रूपांतरण प्रक्रिया करने के लिए, और अलग अपभ्रष्ट फोटॉन जोड़े एक पद के बिना अलग अलग मोड में प्रकाश डाला आवश्यकता. ऑप्टिकल प्रणाली के सिद्धांत का वर्णन किया गया था और प्रयोगात्मक निष्ठा और बेल मापदंडों को मापने के लिए इस्तेमाल किया, और भी उत्पन्न ध्रुवीकरण से जुड़े फोटॉनों की विशेषता के लिए ध्रुवीकरण सहसंबद्ध डेटा के छह संयोजनों की एक न्यूनतम से. प्रयोगात्मक प्राप्त निष्ठा और बेल पैरामीटर शास्त्रीय स्थानीय सहसंबंध सीमा से अधिक है और बिना शर्त ध्रुवीकरण-उलझन फोटॉनों की पीढ़ी के स्पष्ट सबूत हैं.

Introduction

फोटॉनों की उलझाई हुई अवस्था ने क्वांटम सिद्धांत और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी के उपन्यास अनुप्रयोगों में स्थानीय यथार्थवाद के अध्ययन में काफी रुचि दिखाई है1, क्वांटम सघन कोडन2, क्वांटम पुनरावर्तक3, और क्वांटम टेलीपोर्टेशन4| सहज पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण (एसपीडीसी) एक द्वितीय-क्रम nonlinear प्रक्रिया है कि सीधे ध्रुवीकरण राज्यों में उलझा फोटॉन जोड़े का उत्पादन करने के लिए पेश किया गया है. अर्ध चरण मिलान तकनीकों में हाल ही में विकास के कारण, समय-समय पर poled KTiOPO4 (ppKTP) और Linbo3 (ppLN) एक मानक तकनीक बन गए हैं5. इन अरैखिक क्रिस्टलों को सग्नेक इंटरफेरोमीटर6,7,8के साथ मिलाकर अनेक प्रकार के उलझाव स्रोत विकसित किए जाते हैं . विशेष रूप से, प्रकार-II SPDC द्वारा प्राप्त orthogonally polarized फोटॉन जोड़े के साथ योजना यह संभव बिना शर्त ध्रुवीकरण-उलझन फोटॉन ों उत्पन्न करने के लिए और भी अलग अपभ्रष् ट ध्रुवीकरण-उलझा हुआ फोटॉन जोड़े अलग ऑप्टिकल में बनाता है पोस्टselective पता लगाने के बिना मोड7|

इसके विपरीत, टाइप-0 SPDC एक साधारण सेटअप का लाभ और फोटॉन जोड़े 9 के एक उच्च उत्सर्जन अनुपातहै. इसके अलावा, टाइप-0 SPDC में उत्पन्न फोटॉन जोड़े टाइप-II एसपीडीसी के फोटॉनों की तुलना में बहुत व्यापक बैंडविड्थ दिखाते हैं। प्रति यूनिट पंप पावर की कुल फोटॉन-जोड़ी उत्पादन दर इसकी बड़ी बैंडविड्थ8के कारण परिमाण के दो ऑर्डर अधिक है। सहसंबद्ध फोटॉन जोड़े का एक बड़ा बैंडविड्थ का पता चला फोटॉन जोड़े के बीच एक बहुत ही कम संयोग समय की अनुमति देता है. इस संपत्ति क्वांटम ऑप्टिकल सामंजस्य टोमोग्राफी10के रूप में कई संभावित अनुप्रयोगों के लिए नेतृत्व किया गया है , उलझा फोटॉनों के प्रवाह के साथ nonlinear बातचीत के माध्यम से अल्ट्राशॉर्ट अस्थायी सहसंबंध प्राप्त करने के लिए11, मेट्रोलॉजी क्वांटम हस्तक्षेप में बहुत संकीर्ण डुबकी का उपयोग करने के तरीके12, क्वांटम घड़ी तुल्यकालन13, समय आवृत्ति उलझन माप14, और multimode आवृत्ति उलझन15. हालांकि, साधारण प्रकार-0 SPDC के साथ योजना सशर्त पता लगाने योजनाओं6 या तरंगदैर्ध्य फ़िल्टरिंग8 या स्थानिक मोड फ़िल्टरिंग उत्पन्न ध्रुवीकरण-उलझन फोटॉनों16अलग करने के लिए की आवश्यकता है।

हमने एक ऐसी योजना का एहसास किया जो टाइप-0 और टाइप-II एसपीडीसी दोनों के गुणों को एक साथ एकाधिक क्वांटम हस्तक्षेप प्रक्रियाओं17के आधार पर संजोती है। ऑप्टिकल प्रणाली के विवरण का वर्णन किया गया और प्रयोगात्मक प्रयोगात्मक डेटा की एक न्यूनतम संख्या का उपयोग कर उत्पन्न ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों की विशेषता है कि मानकों को मापने के लिए इस्तेमाल किया.

क्षैतिज (एच) और ऊर्ध्वाधर (V) ध्रुवण राज्य के Equation 1 Equation 2 जोन्स वेक्टर के रूप में लिखा जा सकता है और . सभी संभव शुद्ध ध्रुवीकरण राज्यों इन दो ध्रुवीकरण राज्यों के सुसंगत अध्यारोपण से निर्माण कर रहे हैं. उदाहरण के लिए, विकर्ण (D), एंटी-डिगोनल(A), दाएँ-वृत्तीय(R), और बाएँ-वृत्तीय(L) प्रकाश, क्रमशः, द्वारा प्रस्तुत किए जाते हैं:

Equation 3,

Equation 4, (1)

Equation 5और

Equation 6,

ज तथा ट को सरलरेखीय ध्रुवण आधार कहते हैं। D और A को विकर्ण ध्रुवण आधार कहते हैं। त तथा ल् को वृत्ताकार ध्रुवण क्षारक कहते हैं। ध्रुवण के इन शुद्ध तथा मिश्रित अवस्थाओं को एच- तथा ट-ध्रुवणआधारों 18के आधार पर घनत्व मैट्रिक्स द्वारा निरूपित किया जा सकता है।

योजना का प्रचालन सिद्धांत चित्र 1ए-ईमें दर्शाया गया है। लेजर एक ध्रुवीकरण Sagnac इंटरफेरोमीटर में एक polarizing बीम विभाजक (पीबीएस), दो आधा लहर प्लेटें 45ओ (HWP1) और 22.5o (HWP2), एक ppKTP क्रिस्टल, और दर्पण के लिए सेट के शामिल में इंजेक्ट किया जाता है. पंप लेजर क्षेत्र और नीचे परिवर्तित फोटॉनों के दोनों तरंगदैर्ध्य के लिए इस सेटअप काम के साथ ध्रुवीकरण प्रकाशिकी.

पंप लेजर के एच घटक PBS के माध्यम से गुजरता है के रूप में चित्र 1a में दिखाया गया है और दौर यात्राएं एक दक्षिणावर्त (CW) दिशा में सेटअप. पंप लेजर के ध्रुवीकरण HWP2 के माध्यम से विकर्ण (डी) राज्य के लिए उलटा था. यहाँ पंप लेजर के वी घटक नीचे रूपांतरण के लिए काम करता है, और उत्पन्न फोटॉनों वी प्रकार-0 SPDC के साथ polarized हैं. उत्पन्न फोटॉन युग्मों की SPDC ध्रुवण स्थिति को इस रूप में प्रस्तुत किया जा सकता है:

Equation 7.  (2)

नीचे परिवर्तित फोटॉन जोड़े H-polarized HWP1 सेट के माध्यम से 45o करने के लिए चित्र 1bमें दिखाया गया है, और ध्रुवीकरण राज्य हो जाता है:

Equation 8. (3)

पंप लेजर बीम फिर से ppKTP में उल्टे फोटॉन जोड़े इंजेक्शन. दूसरे SPDC से उत्पन्न फोटॉन युग्मों को वी-ध्रुवित तथा पहले एसपीडीसी द्वारा एक collinear ऑप्टिकल मोड के लिए उत्पन्न फोटॉन युग्मों के साथ प्रस्तुत किया गया है जैसा कि चित्र 1cदिखाया गया है। दूसरे SPDC के बाद फोटॉन युग्मों की ध्रुवण स्थिति के रूप में प्रतिनिधित्व किया है:

Equation 9(4)

जहां Equation 10 पहले और दूसरे SPDC से फोटॉन जोड़ी के बीच रिश्तेदार चरण है. चरण समय के साथ भिन्न नहीं है क्योंकि यह पंप लेजर और नीचे परिवर्तित फोटॉनों के बीच HWP1 सामग्री फैलाव द्वारा निर्धारित किया जाता है, और HWP1 झुकाव द्वारा समायोज्य. नीचे परिवर्तित फोटॉनों के एच (वी) ध्रुवण अवस्था (1) में दर्शाए अनुसार A (D) अवस्था में उलटा किया गया था। HWP2 से उत्पादन फोटॉन जोड़ी के ध्रुवीकरण की स्थिति के रूप में प्रतिनिधित्व किया है:

Equation 11(5)

जब चरण Equation 12 HWP1 को झुकाकर निर्धारित किया जाता है, तो राज्य का केवल प्रथम शब् द (5) ही चित्र 1दमें दर्शाया गया है। यह क्वांटम हस्तक्षेप प्रक्रिया है जो ध्रुवीकरणआधारों 19के रिवर्स होंग-ओउ-मंडेल (एचओम) हस्तक्षेप प्रक्रिया से मेल खाती है। जब एच-फोटोन पीबीएस से होकर गुजरता है और वी-फोटॉन पीबीएस द्वारा परिलक्षित होता है, तो Equation 13 पीबीएस से आउटपुट फोटॉन युग्मों की ध्रुवण अवस्था को ऑप्टिकल मोड1 और 2 के रूप में दर्शाया जाता है जैसा कि चित्र 1eमें दिखाया गया है।

इसके विपरीत, पंप लेजर के वी घटक PBS द्वारा परिलक्षित के रूप में चित्र 1f में दिखाया गया था और गोल एक काउंटर दक्षिणावर्त (CCW) दिशा में फिसल गया. इसी प्रकार एकाधिक प्रकार-0 SPDC प्रक्रियाओं और एकात्मक रूपांतरणों के Equation 14 माध्यम से पीबीएस से निर्गत की ध्रुवण अवस्था बन जाती है। जब पंप लेजर के ध्रुवीकरण राज्य विकर्ण (डी) राज्य में तैयार किया गया था, एच के बीच सापेक्ष चरण और वी पंप लेजर के घटक शून्य था. इसलिए, CW और CCW दिशाओं से उत्पन्न फोटॉनों की आउटपुट स्थिति एक ही आयाम के साथ superposed और के रूप में प्रतिनिधित्व कर रहे हैं:

Equation 15.  (6)

निर्गत अवस्था एक ध्रुवण-संवद्ित अवस्था है जिसे बेल अवस्थाओं में से एक कहा जाता है और इसे ध्रुवण प्रकाशिकी तत्वों7का उपयोग करके अन्य तीन राज्यों में परिवर्तित किया जा सकता है। में दिखाए गए संबंध का उपयोग Equation 16 करते हुए (1), आउटपुट अवस्था विकर्ण ध्रुवण आधारों द्वारा इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

Equation 17और परिपत्र ध्रुवीकरण आधार Equation 18 ों के रूप में: .

Protocol

स्वीकृत प्रक्रिया में चित्र 2में दर्शाए गए समग्र प्रायोगिक सेटअप का प्रयोग करते हुए चार मुख्य चरण शामिल हैं . पहले चरण SPDC के लिए पंप लेजर की तैयारी थी. दूसरे चरण में, ऑप्टिकल इंटरफेरोमीटर - सग्नेक इंटरफेरोमीटर का निर्माण एक अखरेखीय क्रिस्टल और ऑप्टिकल ध्रुवण घटकों का उपयोग करके किया गया था। चित्र 3 में दिखाए गए विद्युत घटकों का उपयोग करते हुए संयोग मापन प्रक्रिया का तीसरे चरण में वर्णन किया गया था। अंत में, चित्र 4 में दिखाए गए वास्तविक फोटॉन सहसंबंध डेटा का उपयोग उत्पन्न बिना शर्त ध्रुवीकरण-संवदेषित फोटॉनों की निष्ठा और बेल पैरामीटर का अनुमान लगाने के लिए किया गया था।

1. पंप लेजर के विन्यास

  1. 405 एनएम ग्रेटिंग-स्थिर एकल आवृत्ति लेजर डायोड पर स्विच करें। लेजर डायोड के लिए इनपुट विद्युत धारा को कम करने और तटस्थ घनत्व फिल्टर द्वारा कुछ mW करने के लिए उत्पादन शक्ति समायोजित करें.
  2. एक स्पेक्ट्रोमीटर के रूप में संदर्भित एक एकल आवृत्ति आपरेशन का एहसास करने के लिए लेजर डायोड और होलोग्राफिक ग्रेटिंग (3,600 मिमी$ 1)की सतह के बीच एक बाहरी गुहा का निर्माण। लेजर डायोड सतह के खिलाफ 45o के बारे में holographic ग्रेटिंग प्लेस और धीरे धीरे डिग्री को समायोजित करने के लिए पेंच ले जाएँ, और बीम की छवि का जिक्र करते हुए गुहा से उत्पादन शक्ति को अधिकतम।
  3. एक एकल स्थानिक मोड आपरेशन चलाने के लिए ध्रुवीकरण बनाए रखने ऑप्टिकल फाइबर (पीएमएफ) के लिए एक लेजर जोड़ा। एक शक्ति मीटर का उपयोग कर PMF से उत्पादन शक्ति को अधिकतम करने के लिए फाइबर युग्मक शिकंजा समायोजित करें।
  4. एक फाइबर युग्मक लेंस के साथ PMF से उत्पादन लेजर मिलान. आधा तरंग प्लेट (HWP), एक चौथाई लहर प्लेट (QWP) के केंद्र में एक आइसोलेटर के माध्यम से उत्पादन लेजर चैनल, और एक लघु पास dichroic दर्पण (डीएम) के रूप में चित्र 2में दिखाया गया है. (6) में के रूप में राज्य के साथ ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों पैदा करने के उद्देश्य के लिए, 22.5ओके लिए HWP स्थापित करके विकर्ण (डी) के साथ पंप लेजर के ध्रुवीकरण राज्य सेट , और QWP 0oकरने के लिए .

2. इंटरफेरोमेट्रिक सेटअप का निर्माण

  1. एक द्विवर्णी दर्पण (डीएम), एक नियमित दर्पण, एक पीबीएस, और आयामों के साथ एक ppKTP क्रिस्टल रखें: 10 मिमी लंबे (क्रिस्टलीय x-अक्ष),10 मिमी चौड़ा (y-अक्ष), और 1 मिमी मोटी (z-अक्ष) चित्रा 2में दिखाया गया है। पीबीएस लेजर (405 एनएम) की दोनों तरंगदैर्ध्य और डाउन-परिवर्तित फोटॉनों (810 एनएम) पर संचालित होता है। PPKTP क्रिस्टल की poling अवधि 3.425 Equation 19 जो 405 एनएम लेजर पंप के साथ collinear प्रकार-0 SPDC के लिए बनाया गया है और दोनों तरंगदैर्ध्य पर एक विरोधी प्रतिबिंब कोटिंग है.
  2. पंप लेजर (405 एनएम) और एक संदर्भ लेजर (810 एनएम) का उपयोग कर पीबीएस और दर्पण समायोजित करें। चूंकि इनपुट से इंटरफेरोमीटर के उत्पादन के लिए लंबाई के बारे में है 600 मिमी, संचारित और PBS से अधिक के लिए समानांतर प्रकाश परिलक्षित 600 मिमी (कुछ मीटर के लिए वांछनीय) स्थानिक मोड मिलान बनाने के लिए.
  3. सेटअप में HWP1 और HWP2 रखें. वे दोनों 405 एनएम और 810 एनएम तरंगदैर्ध्य पर काम करते हैं। सतह से परावर्तित प्रकाश का उपयोग करके घटना प्रकाश के लंबवत होने के लिए HWPs को समायोजित करें। 45o और HWP2 करने के लिए 22.5o करने के लिए HWP1 के कोण सेट
  4. सेटअप में एक retroreflector रखें. रेट्रोरिफ्लेक्स्टर की स्थिति को इस प्रकार समायोजित करें कि दक्षिणावर्त (सीडब्ल्यू) और प्रति-घड़ी (सीडब्ल्यू) संदर्भ बीम एक ही स्थानिक मोड पर हों। इंटरफेरोमीटर के आउटपुट से बीम प्रोफाइलिंग छवियों का उल्लेख करने के लिए चित्र 2 में मोड 1 और 2 पर प्रभारी-युग्मित उपकरण (सीसीडी) कैमरे रखें। कैमरे पर प्रोफाइलिंग छवियों का जिक्र करते हुए स्थानिक मोड मिलान बनाने के लिए दर्पण और रेट्रोरिफ्लेक्स्टर समायोजित करें।
  5. लेजर और डीएम के लिए QWP के बीच एक फोकस लेंस प्लेस. चूंकि इनपुट से इंटरफेरोमीटर के उत्पादन की लंबाई लगभग 600 मिमी है, इसलिए 300 मिमी की फोकस लंबाई वाले लेंस का चयन करें। एम्पिराइजल इनपुट लेजर पंप का फोकस बिंदु को इंटरफेरोमीटर के सटीक मध्य बिंदु पर नहीं होना चाहिए लेकिन उत्पादन पॉज़ के चारों ओर होना चाहिए। पहली और दूसरी एसपीडीसी के बीच डाउन-परिवर्तित फोटॉनों की समान स्तर की उत्पादन दक्षता बनाने के लिए दूसरे एसपीडीसी का आई.टी.आई.
  6. सीसीडी कैमरा निकालें और QWPs जगह, polarizers (POLs), हस्तक्षेप फिल्टर (IFs) एक 810 एनएम केंद्र और मोड में 3 एनएम बैंडविड्थ के साथ 1 और 2 के रूप में चित्र 2में दिखाया गया है. परावर्तित प्रकाश का उपयोग करके घटना प्रकाश के लंबवत होने के लिए ऑप्टिकल तत्वों को समायोजित करें। पता लगाने के लिए फाइबर couplers का उपयोग multimode फाइबर के लिए संदर्भ लेजर बीम जोड़ा.
  7. मोड 1 और मोड 2 में डीएम और QWP के बीच एक 300 मिमी फोकस लेंस रखें. पता लगाने के लिए collimate करने के लिए उत्पादन संदर्भ लेजर बीम बनाओ.
  8. एकल-फोटोन गिनती मॉड्यूल (SPCMs) सिलिकॉन (Si) हिमस्खलन photodiodes से निर्मित करने के लिए multimode फाइबर कनेक्ट. संदर्भ लेज़र बंद करें. एक darkroom हालत में SPCMs पर स्विच, और नीचे परिवर्तित फोटॉनों गिनती.
  9. नीचे परिवर्तित फोटॉनों की गिनती दरों को संदर्भित करके एक तापमान नियंत्रक पर घुड़सवार ppKTP क्रिस्टल के तापमान को समायोजित करें। उपयुक्त तापमान आमतौर पर 25-30 डिग्री सेल्सियस है।
  10. नीचे परिवर्तित फोटॉनों की गिनती दरों को अधिकतम करने के लिए HWP1 के झुकाव कोण समायोजित करें। यदि गिनती दर बहुत कमजोर हैं, तो मोड 1 और 2 में ऑप्टिकल तत्वों के बिना गिनती को मापें.

3. संयोग गिनती की माप प्रक्रिया

  1. चित्र 3में दर्शाए अनुसार पोल्स और क्यूडब्ल्यूपी का उपयोग करके घटना ध्रुवण-उलझा हुआ फोटॉनों को मापने के लिए मोड 1 और 2 में ध्रुवण आधारों का चयन करें। H (V) आधार के साथ फोटॉन घटना की माप के लिए, QWP को 0o और POL को 0o (90o)पर सेट करें। घटना के माप के लिए D (A) आधार के साथ फोटॉन, QWP को 0o और POL को 45o (-45o) पर सेट करें। घटना के माप के लिए R (L) आधार के साथ फोटॉन, QWP को 45o (-45o) और POL को 0oपर सेट करें।
  2. ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर तर्क (TTL) संकेत मोड में SPCM से उत्पन्न कनेक्ट 2 एक समय-से-एम्प्लीट्यूड कनवर्टर (टीएसी) के शुरू संकेत इनपुट करने के लिए, और यह विद्युत देरी लाइन के माध्यम से पारित कर दिया गया है के बाद बंद संकेत इनपुट करने के लिए मोड में संकेत 1 (देरी). टीएसी दो संकेतों के बीच समय देरी के लिए इसी 0 से 10 वी से विद्युत संकेतों उत्पन्न करता है.
    1. इस प्रयोग में, विलंब लाइन पिनों का चयन करके समय विलंब $T को 50 ns के रूप में सेट करें। टीएसी के डायल की स्थापना करके 100 एन एस समय सीमा दिखाने के लिए पीसी का प्रदर्शन सेट करें। फिर टीएसी 5 वी संकेतों को उत्पन्न करती है क्योंकि 50 एन एस विलंब विद्युत विलंब लाइन द्वारा दिए गए समय। इसलिए 5 वी संकेत ों की वास्तविक दालों की 0 एन देरी समय पर संयोग के अनुरूप SPCMs से आ रही है. 0 छ विलंब समय पर संयोग चित्र 3में दर्शाए अनुसार प्रदर्शन समय सीमा के केंद्र में दिखाई देते हैं।
  3. पल्स ऊंचाई वितरण को मापने और एक कंप्यूटर नियंत्रित (पीसी) मल्टी चैनल विश्लेषक (एमसीए) के साथ वितरण रिकॉर्ड करने के लिए, MAESTRO-32 कहा जाता है सॉफ्टवेयर के प्रारंभ बटन पर क्लिक करें। इस प्रयोग में, 30 s के लिए टीएसी का माप समय सेट करें. टीएसी दालों की ऊंचाई वितरण को 0 से 10 ट तक का विश्लेषण करें जो घटना फोटॉनों और SPCMs के बीच -50 से 50 ns विलंब समय के अनुरूप है, चरण 3.2 में वर्णित सेटिंग द्वारा।
  4. स्पंद ऊँचाई वितरण को अभिलेखित करने के बाद, चित्र 4में दर्शाए अनुसार अनेक ध्रुवण आधारों के लिए स्पंद ऊँचाई वितरण डेटा प्राप्त की ताक प्राप्त की है। संयोग के लिए विचार किया जा करने के लिए समय विंडो का चयन करें डेटा के analyzation के लिए मायने रखता है. पल्स चोटी की चौड़ाई के बाद से SPCM के संकल्प समय द्वारा निर्धारित किया जाता है $1 ns, संयोग समय खिड़की संकल्प समय से बड़ा होना आवश्यक है.
    1. इस प्रयोग में, संयोग समय विंडो का चयन 10 ns होना चाहिए. समय खिड़की के क्षेत्र को एकीकृत करके संयोग गणना का अनुमान लगाएं।

4. फिडेलिटी और बेल पैरामीटर की अनुमान प्रक्रिया

  1. ध्रुवित Equation 21 द्वितीय-क्रम सहसंबंधों और क्रॉस-ध्रुवित द्वितीय-क्रम सहसंबंधों Equation 22 का निर्धारण करें, जहाँ Equation 23 Equation 24 ध्रुवण अवस्थाएँ H, D, और R को संदर्भित करती हैं, और क्रॉस-ध्रुवण अवस्थाएँ V, A, और L को संदर्भित करती हैं मापा संयोग पृष्ठभूमि स्तर Equation 25 Equation 26 से मायने रखता है विभाजित करके कार्य करता है। चित्र ााालक 4 से पता चलता है कि संयोग की वास्तव में मापी गई स्पंदन ऊँचाई वितरण 30 के लिए अनेक ध्रुवण आधारों के साथ है।
    नोट: उदाहरण के लिए, संयोग polarization Equation 27 आधार HH के साथ गिना जाता है गिनती देता है / संयोग खिड़की के लिए औसत वापस जमीन स्तर 4.3 गिनती के रूप में गणना की है / चूँकि द्वि-क्रम सहसंबंध द्वारा Equation 28 दिया जाता है, ध्रुवित द्वि-क्रम सहसंबंध ध्रुवण आधार HH के साथ कार्य करता है। Equation 29 इसी प्रकार द्वितीय-क्रम सहसंबंध अन्य ध्रुवण Equation 30 आधारों के साथ कार्य इस प्रकार किया गया है: तथा Equation 31 क्रॉस-ध्रुवित द्वितीय-क्रम सहसंबंध कार्य इस प्रकार हैं: Equation 32 और Equation 33 .
  2. 20,21द्वारा परिभाषित तीन ध्रुवण आधारों के लिए दो फोटॉनों के बीच ध्रुवण सहसंबंध की मात्रा निर्धारित करें :
    Equation 34(7)
    जहाँ Equation 35 सरलरेखीय (एच और वी), विकर्ण (D और A) तथा वृत्तीय (आर एवं एल) क्षारकों के ध्रुवण आधारों को संदर्भित करता है। मापित द्वितीय-क्रम सहसंबंध प्रकार्य प्रत्येक ध्रुवण Equation 36 आधारों Equation 37 की डिग्री निम्नानुसार देते हैं: और .
  3. उत्पन्न उलझा फोटॉनों की निष्ठा का निर्धारण करें। राज्य के संबंध में ध्रुवीकरण-संहता वाले राज्य की निष्ठा की गणना करें (6) तीन आधारों में20,21:
    Equation 38
    ध्रुवण सहसंबंध का Equation 39 मापा गया अंश था . यह संख्या 0.50 की क्लासिकल ध्रुवीकरण सहसंबंध सीमा से अधिक हो गई है।
  4. उत्पन्न उलझा फोटॉनों21के बेल मापदंडों का निर्धारण करें। ध्रुवण सहसंबंधों से पैरामीटरों की गणना कीजिए जो 19,20:
    Equation 40
    Equation 41
    Equation 42
    ध्रुवण सहसंबंध के Equation 43 मापित आधार थे . ये संख्याएं 2 की शास्त्रीय पैरामीटर सीमा से अधिक हैं और बेल असमानता का उल्लंघन करती हैं।

Representative Results

उत्पन्न फोटॉन युग्मों के ध्रुवीकरण सहसंबंध द्वारा प्रयोगात्मक निष्ठा का अनुमान लगाने के लिए अनेक क्वांटम हस्तक्षेपों और पहचान योजनाओं के आधार पर ध्रुवीकरण राज्यों के लिए बिना शर्त उलझा हुआ फोटॉनउत्पन्न करने वाली ऑप्टिकल प्रणाली पर चर्चा की गई। उत्पन्न फोटॉनों की अनुमानित निष्ठा 0.50 की शास्त्रीय स्थानीय सहसंबंध सीमा से अधिक हो गई। मापा बेल पैरामीटर 2 की शास्त्रीय पैरामीटर सीमा से अधिक है और बेल असमानता का उल्लंघन किया. इस पत्र में, ध्रुवीकरण आधारों के छह संयोजनों की एक न्यूनतम से प्राप्त संयोग माप इन मापदंडों का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया गया. इसके अलावा, यह पूरी तरह से क्वांटम राज्य टोमोग्राफी के माध्यम से उत्पन्न ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों के घनत्व मैट्रिक्स पुनर्निर्माण करने के लिए संभव है, जो ध्रुवीकरण ठिकानों के 16 संयोजनों के संयोग माप की आवश्यकता है18.

Figure 1
चित्र 1 : एक एकीकृत डबल-पास ध्रुवीकरण Sagnac इंटरफेरोमीटर के Schematic. (क)प्रथम सहज पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण (एसपीडीसी) के बाद फोटॉन युग्मों की पीढ़ी। (ख) एक अर्ध तरंग प्लेट (HWP1) द्वारा फोटॉन युग्मों का ध्रुवण घूर्णन। (ग)दूसरे एसपीडीसी के बाद फोटॉन युग्मों का उत्पादन। (घ)एचडब्ल्यूपी 2 द्वारा प्रथम और द्वितीय एसपीडीसी के फोटॉन युग्मों के बीच क्वांटम व्यतिकरण। (ई)उत्पादन फोटॉन युग्मों का उत्पादन दक्षिणावर्त (सीडब्ल्यू) दिशा में किया जाता है। (च) आउटपुट फोटॉन युग्मप्रति-घड़ी (सीसीडब्ल्यू) दिशा में उत्पादित होते हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2:बिना शर्त ध्रुवीकरण-संवदेले फोटॉनों को उत्पन्न करने के लिए समग्र ऑप्टिकल प्रणाली। पहली छमाही तरंग प्लेट (HWP) और एक चौथाई लहर प्लेट (QWP) ध्रुवीकरण बनाए रखने ऑप्टिकल फाइबर (पीएमएफ) के माध्यम से गुजर पंप लेजर के ध्रुवीकरण राज्य सेट करने के लिए उपयोग किया जाता है। उत्पादन फोटॉनों लेंस, QWPs, polarizers (POLs) के माध्यम से पारित कर दिया गया, और हस्तक्षेप फिल्टर (IFs) मोड में 1 और 2, और एकल-फोटोन गिनती मॉड्यूल (SPCM) द्वारा पता चला. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3 : उत्पन्न ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों के लिए समग्र संयोग का पता लगाने प्रणाली. SPCM से विद्युत संकेतों को शुरू करने और एक विद्युत देरी लाइन (देरी) के माध्यम से समय-से-एम्प्लीट्यूड कनवर्टर (टीएसी) के संकेत को रोकने के लिए इस्तेमाल किया गया. समय अंतर से प्राप्त पल्स ऊंचाई वितरण एक कंप्यूटर नियंत्रित (पीसी) मल्टी चैनल विश्लेषक (एमसीए) के साथ विश्लेषण किया गया था. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4 : समानांतर और ऑर्थोगोनल polarizer सेटिंग्स के साथ समय अंतर वितरण मापा. संयोजन क्षैतिज (एच), ऊर्ध्वाधर (वी), विकर्ण (डी), विरोधी diagonal (ए), दाएँ वृत्तीय (आर), और बाएँ-वृत्ताकार (एल) ध्रुवीकरण कुर्सियां हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम है कैसे उत्पन्न ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों की निष्ठा को अधिकतम करने के लिए. अनुमानित निष्ठा और बेल मापदंडों वर्तमान में सीमित कर रहे हैं, मुख्य रूप से क्योंकि हम उत्पन्न उलझा फोटॉनों इकट्ठा करने के लिए multimode फाइबर का इस्तेमाल किया. HWP1 के झुकाव पहले और दूसरे SPDC के फोटॉनों के बीच स्थानिक मोड की ऊंचाई अंतर प्रभावित और Sagnac इंटरफेरोमीटर के उत्पादन पर एक स्थानिक मोड बेमेल का कारण बना. निष्ठा अधिक होने की उम्मीद है जब एकल मोड फाइबर का उपयोग कर कि उत्पन्न पहली और दूसरी SPDC फोटॉनों के स्थानिक मोड overlapping क्षेत्र बाहर फिल्टर. इसके अलावा, ppKTP क्रिस्टल के birefringence प्रभाव पहले और दूसरे SPDC फोटॉनों के बीच मोड बेमेल प्रभावित. भविष्य में, हम संभवतः अतिरिक्त मुआवजा क्रिस्टल का उपयोग करके मानकों में सुधार कर सकते हैं.

प्रोटोकॉल के महत्व के लिए मौजूदा विधि के संबंध में एक साथ कई गुणों का एहसास है. प्रोटोकॉल के साथ उलझा ध्रुवीकरण फोटॉनों के स्रोत एक उच्च उत्सर्जन दर है, अपभ्रष्ट कर रहे हैं, एक ब्रॉडबैंड वितरण किया है, और बाद चयन मुक्त कर रहे हैं. प्रोटोकॉल की विशेषता लाभ एक डबल पास ध्रुवीकरण Sagnac इंटरफेरोमीटर का उपयोग कर कई क्वांटम हस्तक्षेप पर आधारित है. फोटोनिक प्रणाली यह संभव ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों की बड़ी पीढ़ी दक्षता का उपयोग करने के लिए और पदों की कोई आवश्यकता के साथ अलग ऑप्टिकल मोड में अपभ्रष्ट फोटॉन जोड़े अलग करने के लिए बनाता है. उच्च निष्पादन ध्रुवण की प्रणाली उलझा फोटॉनों उपन्यास photonic क्वांटम सूचना प्रौद्योगिकियों1,2,3,4के लिए लागू किया जा सकता है.

Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

इस शोध Opto विज्ञान और प्रौद्योगिकी, जापान के लिए अनुसंधान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था. हम उपयोगी चर्चा के लिए डा टोमो ओसाडा को धन्यवाद देते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
300mm fous lens Thorlabs. INC. AC254-300-B
405nm LD Digi-Key Electronics NV4V31SF-A-ND
Delay line Ortec INC. DB463
Dichroic mirror (DM) Midwest Optical Systems INC. SP650-25.4
Half-wave plate (HWP) for 405nm Thorlabs. INC. WPH05M-405
Half-wave plate (HWP) for dual wavelengths Meadowlark Co. DHHM-100-0405/0810?
Interference filter (IF) IDEX Health & Science, LLC LL01-808-12.5
Multi-channel analyzer (MCA) Ortec INC. EASY-MCA-2K MAESTRO-32 software
Polarization-maintaining fiber Thorlabs. INC. P1-405BPM-FC-1
Polarizer (POL) Meadowlark Co. G335743000
ppKTP crystal RAICOL CRYSTAL LTD. Type-0, 3.425 microns period
Quarter-wave plate (QWP) for 808nm Thorlabs. INC. WPQ05M-808
Quarter-wave plate (QWP) for 405nm Thorlabs. INC. WPQ05M-405
Retroreflector Newport Co. U-BER 1-1S
Single photon counting Module (SPCM) Laser Cpmponents LTD. Count -100C-FC FC connecting
Time-to-amplitude converter (TAC) Ortec INC. 567

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References

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इंजीनियरिंग अंक 151 ध्रुवीकरण-संवदेषित फोटॉन पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण टाइप-0 टाइप-II क्वांटम हस्तक्षेप सगनाक इंटरफेरोमीटर राउंड ट्रिप कॉन्फ़िगरेशन
एकाधिक क्वांटम हस्तक्षेप के आधार पर बिना शर्त ध्रुवीकरण-इंटरक्वफोट्ड फोटॉनों उत्पन्न करने के लिए एक Photonic प्रणाली
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Terashima, H., Sato, Y., Kobayashi, S., Tsubakiyama, T., Nozaki, R., Kubo, S., Osada, T., Sanaka, K. A Photonic System for Generating Unconditional Polarization-Entangled Photons Based on Multiple Quantum Interference. J. Vis. Exp. (151), e59705, doi:10.3791/59705 (2019).

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