Geração e controle coerente de pentes de frequência pulsada Quantum

O objetivo geral deste protocolo é gerar e controlar coerentemente pentes de frequência quântica pulsada que podem ser usados para processamento de informações quânticas. Este método pode nos ajudar a fornecer as ferramentas para investigações fundamentais da mecânica quântica e para a realização de tecnologias não clássicas, como comunicações quânticas e processamento de informações. A principal vantagem dessa técnica é que componentes e protocolos de telecomunicações bem estabelecidos são usados para gerar e controlar estados quânticos ópticos complexos de maneira reconfigurável e escalável.

Temos essa ideia quando conversamos com meu colega Jose Azana, que é especialista em processamento de telecomunicações, e percebemos que poderíamos transferir essas ferramentas para o mundo dos objetos quânticos. Configure os componentes do sistema em uma mesa óptica. O sistema possui estágios para geração, controle e processamento.

Esta representação fornece uma visão geral. Todos os elementos são conectados com polarização mantendo a fibra óptica. Por enquanto, concentre-se no estágio de geração.

Este estágio possui um ressonador de micro-anel no chip embutido em uma cavidade externa maior. A cavidade externa é feita de um modulador de amplitude eletro-óptico acionado por um gerador de sinal, um isolador e um amplificador de fibra dopado com érbio que fornece ganho óptico. Há um filtro estreito com uma banda de passagem selecionando uma única ressonância de microcavidade e um filtro de entalhe direcionando os fótons gerados para a seção de controle.

Com a cavidade desconectada, inicie o amplificador de fibra dopada com érbio. Use um medidor de potência óptica após o modulador de amplitude para medir a potência transmitida. No modulador, use uma fonte de alimentação para aplicar um deslocamento CC para ter a potência transmitida.

Reconecte a cavidade e insira um fotodiodo rápido em uma porta de anel diferente. Use um osciloscópio para observar seu sinal no domínio do tempo. Sem o modulador ativado, a saída mostrará uma operação de pulso instável com um trem de pulso de baixa qualidade.

Retorne ao modulador de amplitude e conecte o gerador de funções. Defina a frequência de saída do gerador para um múltiplo do espaçamento aproximado do modo de cavidade externa. Selecionando uma forma de onda retangular ou senoidal e ligue o gerador de funções.

Ajuste a frequência do gerador de função e o deslocamento CC para otimizar e estabilizar o trem de pulso no osciloscópio. Ajuste manualmente o ganho para definir a intensidade do pulso. O processo de mistura não linear de quatro ondas dentro do ressonador de anel agora cria pares de fótons de sinal e intermediários que deixarão a cavidade externa no filtro de entalhe.

Conecte o sinal de sincronização do gerador de funções à eletrônica de temporização. A taxa de geração deste pente de frequência quântica pulsada pode ser aumentada acionando o modulador em harmônicos mais altos do espaçamento de frequência da cavidade externa, entrando assim em uma máquina de travamento de modo harmônico. O ganho do amplificador também deve ser aumentado para garantir a mesma potência por pulso.

Após o filtro de entalhe no estágio de geração, os fótons emaranhados entram no estágio de controle. Lá, em ordem, eles encontram um filtro programável, um modulador de fase e um segundo filtro programável. Primeiro, programe os filtros.

Defina a amplitude dos canais do modo de frequência desejados e atenue os demais. Da mesma forma, decida sobre a máscara de fase desejada. Faça isso para cada filtro.

Esta imagem representa a amplitude e a fase de uma medição de coincidência. Para preparar o modulador de fase, conecte o gerador de sinal ao amplificador de RF com cabos de baixa perda. Em seguida, conecte o amplificador de RF ao modulador de fase.

Depois que todas as extremidades de RF estiverem conectadas e terminadas, polarize o amplificador. Configure o gerador de sinal de RF para criar bandas laterais que se sobrepõem aos modos de frequência desejados e, em seguida, ligue-o. Como teste, configure o sistema para enviar um feixe de laser de onda contínua através do modulador de fase.

Use um analisador de espectro óptico para verificar se o espectro de entrada produz um espectro de saída que corresponde à modulação pretendida para o experimento. Para continuar, conecte o modulador de fase com os filtros programáveis. Ao definir o padrão de modulação de fase, é importante determinar qual padrão criará as bandas laterais de frequência desejadas para a operação escolhida.

Isso dependerá da dimensão do estado quântico usado e do espaçamento de ressonância da microcavidade. Os pares de fótons do estágio de geração entram no estágio de controle. O primeiro filtro define a amplitude e a fase programadas.

Em seguida, o modulador de fase cria as bandas laterais de frequência necessárias. O segundo filtro seleciona o sinal e o par intermediário. Na entrada para o estágio de processamento, separe os fótons emaranhados com um multiplexador denso de divisão de comprimento de onda.

A partir daí, cada um deles vai para detectores de fótons únicos. Registre o tempo de chegada de cada fóton usando a eletrônica de temporização configurada para medição de coincidência. A configuração permite um controle coerente sobre os estados dos fótons.

Aqui, as bandas laterais de frequência são geradas por meio de modulação de fase. O espaçamento e as amplitudes da banda lateral são determinados pelo sinal de modulação. O controle coerente do estado do fóton pode ser usado para tomografia de estado quântico.

Este é um exemplo de reconstrução da matriz de densidade de estado para um sistema de dois fótons com uma dimensionalidade de três para cada fóton. A fidelidade entre os estados medidos e emaranhados ao máximo é de cerca de 81% A técnica de geração de alta taxa de repetição pulsada não se limita a ressonadores de micro-anel e pode ser adotada para outras cavidades ópticas, como guias de onda de cristal fotônico, microdiscos e cavidades não lineares de segunda ordem. Com seu desenvolvimento, a plataforma combina técnicas estabelecidas em telecomunicações com tecnologias quânticas para aplicações potenciais, como comunicações seguras em altas taxas em canais multiplex ou operações quânticas de alta dimensão.