Um sistema fotônico para a geração de fótons de polarização-emaranhados incondicionais baseados em interferência quântica múltipla

Apresentamos um sistema fotônico de alto desempenho que se aproveita do múltiplo efeito de interferência quântica para produzir fótons sem polarização, degenerados e pós-seleção à taxa de alta emissão com uma grande distribuição de banda larga. Nossa abordagem usa um múltiplo processo de interferência reversa de Hong-Ou-Mandel para produzir fótons emaranhados de polarização com uma eficiência de alta geração e separação confiável de pares de fótons degenerados em diferentes modos ópticos sem pós-seleção. Para começar, ligue um diodo laser, e defina a energia para alguns miliwatts.

Por favor, uma grade holográfica em cerca de um ângulo de 45 graus em relação à superfície do diodo laser, e ajuste o ângulo até que a intensidade do feixe pareça ser maximizada. Em seguida, acoplam o laser a uma fibra óptica que mantém a polarização. Direcione a fibra para um medidor de potência e ajuste os parafusos acocoplador para maximizar a potência de saída.

Direcione o laser através de um isolador de espaço livre. Em seguida, coloque uma placa de meia onda e uma placa de quarto de onda para luz de 405 nanômetros no caminho do feixe. Defina os ângulos da placa para alcançar o estado de polarização do feixe desejado.

Em seguida, coloque um espelho dicroico de passagem curta e um cubo polarizador de divisor de feixes no caminho do feixe. Use um espelho regular para direcionar o feixe s-polarizado refletido paralelo ao feixe p-polarizado transmitido. Coloque um cristal ppKTP tipo zero em uma plataforma controlada pela temperatura, montado no caminho do feixe.

Ajuste a plataforma até que as vigas divididas passem pelo cristal. Em seguida, ajuste o divisor de vigas e espelhos até que os feixes s e p-polarizados sejam paralelos por alguns metros. Use tanto o laser da bomba de 405 nanômetros quanto um laser de referência de 810 nanômetros para este ajuste.

Em seguida, monte uma placa de meia onda de ondas duplas em ambos os lados do cristal ppKTP, perpendicular à luz do incidente. A placa de meia onda entre o divisor de feixe e o cristal foi definida para 22,5 graus e a outra placa para 45 graus com antecedência. Em seguida, coloque um retrorefletor no final da configuração para direcionar os feixes convertidos de volta através do cristal ppKTP e da placa de meia onda de 22,5 graus.

Posicione a placa de meia onda de 45 graus de modo que apenas o feixe de entrada refletido a partir do divisor de feixe e o feixe de saída do outro lado passe por ela. Certifique-se de que ambos os feixes de saída sejam direcionados para o divisor de feixes para gerar os feixes de fótons no sentido horário e anti-horário. Coloque os perfis de feixe de câmera CCD em linha com os feixes de fótons de saída.

Ajuste os espelhos e o retrorefletor para que os pares de feixe no sentido horário e anti-horário estejam nos mesmos modos espaciais. Em seguida, monte uma lente de foco de 300 milímetros entre a placa de quarta-onda e o espelhodicróico. Posicione a lente de modo que o ponto focal do raio laser da bomba esteja em torno da posição de geração do segundo fóton para baixo na crista ppKTP.

Remova os perfis de feixe e coloque uma placa de quarto de onda, um polarizador de grade de arame e um filtro de interferência no caminho de cada feixe de saída. Acople os feixes a fibras multimoda com uma lente collimador. Coloque uma lente de foco de 300 milímetros antes de cada placa de quarta-de-onda e concentre os feixes de saída nos collimadores.

Em seguida, conecte as fibras multimoda a módulos de contagem de fótons únicos que usam fotodiodos de avalanche de silício. Uma vez que a configuração tenha sido totalmente montada, desligue o laser de referência e reconecte o laser de diodo. Desligue as luzes do quarto e exclua toda a luz externa.

Em seguida, ligue os módulos de contagem e conte os fótons convertidos. Em seguida, ajuste a temperatura do cristal ppKTP e o ângulo inclinado da placa de meia onda de 45 graus para melhorar a taxa de contagem dos fótons convertidos. Repita as medições e ajustes até que a taxa de contagem seja maximizada.

Antes da medição, defina os ângulos das placas de quarta-onda e polarizadores para que os feixes de saída atinjam a base de polarização desejada para a medição. Em seguida, conecte o módulo de contagem de fótons único do feixe de saída refletido do espelhodicróico à entrada de sinal inicial de um conversor de tempo para amplitude. Conecte o outro feixe à entrada do sinal de parada através de uma linha de atraso elétrico.

Defina o tempo de atraso para 50 nanossegundos e o intervalo de tempo exibido para 100 nanossegundos. Abra o software do instrumento, defina o tempo de medição para 30 segundos e inicie a medição. Quando a medição terminar, regisse a distribuição da altura do pulso.

Repita a medição com várias combinações de base de polarização e identifique uma janela de tempo coincidência com base na resolução temporal dos módulos de contagem. Para cada medição, integre a área sob o pico dentro do janela de tempo coincidência para estimar a contagem de coincidências. Calcule os parâmetros de fidelidade e Bell para confirmar que o sistema está gerando fótons emaranhados de polarização.

A análise de medidas de detecção por coincidência de seis combinações de bases de polarização confirmou que o sistema poderia gerar e detectar fótons emaranhados de polarização. A fidelidade de emaranhamento foi de 0,85, excedendo o limite clássico de correlação local de 0,5. As correlações das bases de polarização excederam o limite de parâmetro clássico de dois, violando a desigualdade de Bell.

Nosso método permite a separação livre pós-seleção de pares de fótons degenerados em diferentes modos ópticos característicos da conversão paramétrica paramétrica de down tipo dois, mantendo a grande largura de banda e alta eficiência da conversão paramétrica paramétrica tipo zero. Este método de utilização de múltiplos processos de interferência quântica também é útil para a aplicação de fótons emaranhados através da emissão estimulada de conversão paramétrica espontânea. Devido à simplicidade do nosso esquema, podemos melhorar ainda mais a eficiência da geração de fótons emaranhados de polarização modificando o bombeamento do laser de pulso e as estruturas guia de ondas em cristais não lineares.

Também podemos gerar fótons na banda de comprimentos de onda teóricos alterando o período de poling do cristal. Nossa técnica melhora a taxa total de produção de pares de fótons por unidade de energia da bomba em duas a três ordens de magnitude, devido à grande largura de banda do tipo zero parametric down-conversão. Uma grande largura de banda de pares de fótons correlacionados dá um tempo de coincidência muito curto, o que tem atraído considerável atenção para uso na tomografia de coerência óptica quântica e em muitas outras aplicações.