Поколение и согласованного контроля импульсных квантовой частоты Комбс

Общая цель этого протокола заключается в создании и когерентном управлении импульсными квантовыми частотными гребнями, которые могут быть использованы для квантовой обработки информации. Этот метод может помочь нам предоставить инструменты для фундаментальных исследований квантовой механики и для реализации неклассических технологий, таких как квантовые коммуникации и обработка информации. Основное преимущество этого метода заключается в том, что хорошо зарекомендовавшие себя телекоммуникационные компоненты и протоколы используются для генерации и управления сложными оптическими квантовыми состояниями реконфигурируемым и масштабируемым способом.

Эта идея пришла нам в голову, когда мы разговаривали с моим коллегой Хосе Азаной, который является экспертом в области обработки телекоммуникационных данных, и мы поняли, что можем перенести эти инструменты в мир квантовых объектов. Установите компоненты системы на оптическом столе. Система имеет этапы генерации, управления и обработки.

Это изображение дает общее представление. Все элементы соединены поляризацией с сохранением оптического волокна. А пока сосредоточьтесь на этапе генерации.

Этот каскад оснащен микрокольцевым резонатором, встроенным в более крупную внешнюю полость. Внешний резонатор выполнен из электрооптического амплитудного модулятора, приводимого в действие генератором сигнала, изолятора и оптоволоконного усилителя, легированного эрбием, обеспечивающего оптическое усиление. Имеется узкий фильтр с полосой пропускания, выбирающий резонанс с одним микрорезонатором, и режекторный фильтр, направляющий генерируемые фотоны в контрольный участок.

Когда резонатор отсоединен, инициируйте волоконный усилитель, легированный эрбием. Используйте измеритель оптической мощности после амплитудного модулятора для измерения передаваемой мощности. На модуляторе используйте источник питания для подачи смещения постоянного тока, чтобы получить передаваемую мощность.

Снова подсоедините резонатор и вставьте быстрый фотодиод в другой кольцевой порт. Используйте осциллограф для наблюдения за сигналом во временной области. Без активированного модулятора на выходе будет отображаться нестабильная работа импульсов с последовательностью импульсов низкого качества.

Вернитесь к амплитудному модулятору и подключите генератор функций. Установите выходную частоту генератора, кратную приблизительному разносу между внешними резонаторами. Выбор прямоугольной или синусоидальной формы сигнала и включение генератора функций.

Настройте частоту генератора функций и смещение постоянного тока для оптимизации и стабилизации последовательности импульсов на осциллографе. Вручную отрегулируйте усиление, чтобы установить интенсивность импульса. Нелинейный процесс смешивания четырех волн внутри кольцевого резонатора теперь создает сигнальные и холостые фотонные пары, которые будут покидать внешнюю полость режекторного фильтра.

Подключите сигнал синхронизации от генератора функций к электронике синхронизации. Скорость генерации этого импульсного квантового частотного гребня может быть увеличена за счет подачи модулятора на более высокие гармоники разнесения частот внешнего резонатора, тем самым попадая в машину синхронизации гармонических мод. Затем необходимо также увеличить коэффициент усиления усилителя, чтобы обеспечить одинаковую мощность на импульс.

После режекторного фильтра на стадии генерации запутанные фотоны попадают в стадию управления. Там, по порядку, они сталкиваются с программируемым фильтром, фазовым модулятором и вторым программируемым фильтром. Во-первых, запрограммируйте фильтры.

Установите амплитуду каналов нужного частотного режима и ослабьте остальные. Точно так же определитесь с желаемой фазовой маской. Проделайте это для каждого фильтра.

На этом изображении представлены амплитуда и фаза для измерения совпадений. Чтобы подготовить фазовый модулятор, подключите генератор сигналов к ВЧ-усилителю кабелями с малыми потерями. Затем подключите ВЧ усилитель к фазовому модулятору.

После того, как все РЧ концы будут подключены и завершены, выполните смещение усилителя. Настройте генератор радиочастотных сигналов на создание боковых полос, которые перекрываются с нужными частотными режимами, затем включите его. В качестве теста настройте систему на отправку лазерного луча непрерывной волны через фазовый модулятор.

С помощью анализатора оптического спектра убедитесь, что входной спектр создает выходной спектр, соответствующий предполагаемой модуляции для эксперимента. Чтобы продолжить, подключите фазовый модулятор к программируемым фильтрам. При настройке диаграммы направленности фазовой модуляции важно определить, какая последовательность будет создавать целевые частотные боковые полосы для выбранной операции.

Это будет зависеть от размерности используемого квантового состояния и от резонансного расстояния между микрорезонаторами. Пары фотонов из стадии генерации поступают в стадию управления. Первый фильтр задает запрограммированные амплитуду и фазу.

Далее фазовый модулятор создает необходимые частотные боковые полосы. Второй фильтр выбирает пару сигнал и холостой ход. При поступлении на стадию обработки разделите запутанные фотоны с помощью плотного мультиплексора с разделением по длине волны.

Оттуда каждый из них направляется к детекторам одиночных фотонов. Запишите время прихода каждого фотона с помощью электроники синхронизации, настроенной на измерение совпадений. Такая установка позволяет осуществлять когерентный контроль над состояниями фотонов.

В этом случае частотные боковые полосы генерируются с помощью фазовой модуляции. Разнос боковых полос и амплитуды определяются модулирующим сигналом. Когерентное управление состоянием фотонов может быть использовано для квантовой томографии состояния.

Это пример реконструкции матрицы плотности состояния для двухфотонной системы с размерностью три для каждого фотона. Точность между измеренным и максимально запутанным состояниями составляет около 81%Метод генерации импульсов с высокой частотой повторения не ограничивается микрокольцевыми резонаторами и может быть использован для других оптических резонаторов, таких как фотонные кристаллические волноводы, микродиски и нелинейные резонаторы второго порядка. С момента своего развития платформа сочетает в себе устоявшиеся методы в области телекоммуникаций с квантовыми технологиями для потенциальных приложений, таких как безопасная связь на высоких скоростях по мультиплексным каналам или многомерные квантовые операции.