Summary
Wir beschreiben die zuverlässige Erzeugung von nicht-Gauß-Staaten reisen optischen Bereichen, einschließlich der Ein-Photonen-Zustände und Überlagerungen kohärenten Zustand, mit einer bedingten Herstellungsverfahren auf der nicht-klassischen Licht durch optische parametrische Oszillatoren emittiert betrieben. Typ-I und Typ-II-phasenangepaßte Oszillatoren betrachtet und üblichen Verfahren, wie beispielsweise die gewünschte Frequenz zu filtern oder Hocheffizienzquantenzustand Charakterisierung homodyning, ausführlich beschrieben.
Abstract
Engineering nicht-klassischen Zuständen des elektromagnetischen Feldes ist eine zentrale Aufgabe für Quantenoptik 1,2. Über ihre grundlegende Bedeutung sind solche Zustände tatsächlich die Ressourcen für die Umsetzung verschiedener Protokolle, die von verbesserten Messtechnik zur Quantenkommunikation und Datenverarbeitung. Eine Vielzahl von Vorrichtungen kann verwendet werden, um nicht-klassischen Zuständen, wie Einzelstrahler Licht-Materie-Schnittstellen oder nichtlineare Systeme 3 zu erzeugen. Wir konzentrieren uns hier auf die Verwendung einer Dauerstrich-optischen parametrischen Oszillator 3,4. Dieses System basiert auf einer nichtlinearen χ 2-Kristall innerhalb eines optischen Hohlraums eingefügt basiert und es ist jetzt bekannt als eine sehr effiziente Quelle für nicht-klassischen Licht, wie beispielsweise Einzelmoden-oder zwei-Modus gedrückt Vakuum je nach Kristall Phasenanpassung.
Zwängt Vakuum ist ein Gauß-Zustand als Quadratur-Distributionen folgen ein Gauß-Statistik. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Anzahl der Protokolle erfordern nicht gezeigt Gaussischen Staaten 5. Generieren direkt solche Staaten ist eine schwierige Aufgabe und würden starke χ 3 Nichtlinearitäten erforderlich. Ein weiteres Verfahren, probabilistische aber angekündigt, besteht in der Verwendung eines Messinduzierte Nichtlinearität über eine bedingte Präparationstechnik auf Gauß-Staaten betrieben wird. Hier haben wir ausführlich diese Generation Protokoll für zwei nicht-Gauß-Staaten, die Single-Photon-Zustand und eine Überlagerung von kohärenten Zuständen, mit zwei unterschiedlich phasenangepassten parametrische Oszillatoren als primäre Ressourcen. Diese Technik ermöglicht das Erreichen einer hohen Wiedergabetreue mit der gezielten staatlichen und Generation des Staates in einer gut kontrollierten Raum-Zeit-Modus.
Introduction
Die Fähigkeit, den Quantenzustand des Reisens optische Felder Ingenieur ist eine zentrale Voraussetzung für die Quanteninformationswissenschaft und-Technologie ein, darunter Quantenkommunikation, Computer-und Messtechnik. Hier diskutieren wir die Herstellung und Charakterisierung von einigen spezifischen Quantenzuständen, wobei als primäre Ressource des von Dauerstrich-optischen parametrischen Oszillatoren 3,4 unterhalb der Schwelle betrieben emittiert. Insbesondere werden zwei Systeme in Betracht gezogen werden - eine Typ-II-Phase abgestimmt OPO und einen Typ-I-OPO - damit jeweils die zuverlässige Erzeugung der angekündigten Single-Photonen und von optischen kohärenten Zustand Lagerungen (CSS), dh Staaten der Form | α > - |-α>. Diese Staaten sind wichtige Ressourcen für die Umsetzung einer Vielzahl von Quanteninformationsprotokollen, die von linearen optischen Quantencomputer 6 bis optischen Hybrid-Protokolle 5,7. Deutlich wird das Verfahren p hier übel ermöglicht den Erhalt einer geringen Beimischung von Vakuum und der Emission in einem gut kontrollierten Raum-Zeit-Modus.
Generell können Quantenzustände als Gauß-Staaten und Nicht-Gauß-Staaten nach der Form der Quasi-Wahrscheinlichkeitsverteilung im Phasenraum die Wigner-Funktion W (x, p) 8 genannt klassifiziert werden. Für nicht-Gauß-Staaten kann die Wigner-Funktion negative Werte annehmen, eine starke Signatur nicht Klassizität. Einzel-Photonen-oder kohärenten Zustand Lagerungen sind in der Tat nicht-Gauß-Staaten.
Ein effizientes Verfahren zur Erzeugung solcher Zustände wird als die bedingte Präparationstechnik, wobei eine erste Gauß-Ressource mit einem sogenannten nicht-Gaußschen Messung wie Photonenzählung 9,10,11,12,13 kombiniert bekannt. Dieses allgemeine Schema, probabilistische aber angekündigt, ist auf Abbildung 1a skizziert.
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Abbildung 1. (A) Begriffsschema der bedingten Präparationstechnik. (B) Herstellung von Conditional Einzelphotonenzustand von orthogonal polarisierten Photonenpaare (Typ-II-OPO) auf einen polarisierenden Strahlteiler getrennt. (C) Bedingtes Herstellung einer kohärenten Überlagerungszustand durch Subtrahieren einer Ein-Photonen aus einem gepressten Vakuumzustand (Typ-I-OPO).
Durch die Messung ein Modus eines zweiseitigen verschränkten Zustand, der andere Modus in einem Staat, der auf dieser Messung und der ersten Ressource verstrickt 12,13 abhängen wird projiziert.
Was sind die erforderlichen Ressourcen-und heralding Detektor benötigt, um die oben genannten Staaten zu generieren? Mit zwei Einzelstrahlen Einzel-Photonen-Zustände erzeugt werden, dh Photonen-Zahl korreliert Balken. Der Nachweis von Single-photon auf einen Modus läutet dann die Erzeugung eines Einzelphotonen auf den anderen Modus 9,10,14,15. Eine Frequenz-entarteten Typ-II-OPO 16,17,18,19 ist in der Tat eine gut geeignete Quelle für diesen Zweck. Signal-und Idler-Photonen Photonenzahl korreliert und mit orthogonalen Polarisationen emittiert. Erfassen eines Einzelphotonen auf einem Polarisationsmodus projiziert das andere in einer Einzelphotonenzustand, wie in Fig. 1b gezeigt.
Was kohärenten Zustand Überlagerungen, können sie durch Subtraktion eines Einzelphotonen aus einer gepressten Vakuumzustand 20 erhalten, entweder durch gepulste Single-Pass-parametrische Abwärtskonvertierung 11,21 oder durch eine Typ-I-OPO 22,23 erzeugt werden. Die Subtraktion wird, indem ein kleiner Anteil des Lichtes auf einen Strahlteiler und zum Erfassen eines Einzelphotonen in diesem Modus (1c) durchgeführt. Ein Vakuum gepresst ist eine Überlagerung von noch Photonenzahlzustände, so Subtrahieren einer Single-Photon-Leitungeneiner Überlagerung von ungeraden Anzahl Photonen-Zustände, die eine hohe Wiedergabetreue mit einer linearen Überlagerung zweier kohärenter Zustände gleich und kleiner Amplitude hat. Aus diesem Grund hat sich der Name "Schrödingers Katze" manchmal, um diesen Zustand gegeben.
Das allgemeine Verfahren zur Erzeugung dieser Zustände ist somit ähnlich, unterscheidet sich jedoch von der Primärlichtquelle. Filterung der heralding Weg-und Nachweisverfahren sind die gleichen, was die Art der OPO verwendet. Die vorliegende Reihe von Protokollen Detail, wie diese beiden nicht-Gauß-Staaten von Dauerstrich-optischen parametrischen Oszillatoren erzeugen und wie man sie mit hoher Effizienz zu charakterisieren.
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Protocol
1. Optical Parametric Oscillator
- Erstellen Sie eine 4 cm lange semimonolithic linearen Hohlraum (für eine verbesserte mechanische Stabilität und reduziert Intracavity Verluste). Der Eingangsspiegel direkt auf einer Fläche des nichtlinearen Kristall beschichtet.
- Wählen eines Eingangskopplers Reflexion von 95% für die Pumpe bei 532 nm und hoher Reflexion für die Signal-und Leerlauf bei 1.064 nm auf. Umgekehrt, wählen die stark reflektierenden Ausgangskoppler für die Pumpe zu sein, und der Transmissionsgrad T = 10% für die Infrarot. Der freie Spektralbereich des OPO ist gleich Δω = 4,3 GHz und die Bandbreite liegt bei 60 MHz. Machen Sie den Hohlraum dreifach resonant, dh für die Pumpe und für die Down-Felder umgewandelt.
- Verwenden Sie ein KTP-Kristall für den Typ-II-OPO-System oder einem PPKTP Kristall für den Typ-I-OPO. Temperatur-Stabilisierung der Kristalle bei ihrer Phase-Matching-Temperaturen.
- Verwendung als Laserquelle ein Dauerstrichfrequenzverdoppelten Nd: YAG-Laser. Pumpen Sie den OPO bei 532 nm und verwenden Sie die inInfrarotlicht, nach räumlichen Filterung durch eine Hoch Finesse Hohlraum (Modus Reiniger), als Lokaloszillator (LO) für den Homodyndetektion.
- Erreichen die Modenanpassung zwischen der Pumpe und dem Hohlraum-Modus.
- Sperren Sie die Hohlraumlänge an der Pumpe von der Resonanz Pound-Drever-Hall-Technik. Zu diesem Zweck wenden eine 12 MHz elektrooptische Modulation der Pumpe und detektieren das Licht aus dem Hohlraum mit einem optischen Isolator zurückreflektiert.
2 Bedingte Zubereitung:. Filtern der Heralding Pfad
- Trennen Sie die OPO-Ausgabe in zwei Modi. Eine entspricht der heralding Modus, während der andere ist der Staat angekündigt, die von der Homodyndetektion erkannt wird.
- Führen Sie die heralding Modus auf die Einzelphotonendetektor. Insbesondere für die Typ-II-OPO, trennen Sie die orthogonalen Signal-und Leerlaufmodus durch einen Polarisationsstrahlteiler (PBS). Für den Typ-I-OPO, tippen Sie auf einen kleinen Bruchteil (3%) der gepressten Vakuum durch einStrahlteiler (BS).
- Filtern Sie die heralding Modus, um die Frequenz nicht entarteten Moden aufgrund der OPO Höhle zu entfernen. Für einen OPO, enthält der Ausgang der Tat viele paarweise korreliert, aber spektral getrennten Betriebsarten, ω 0 + ω und ω N &Dgr; 0-N &Dgr; ω, wobei n eine ganze Zahl ist. Um eine eingeläutet Zustand bei der Trägerfrequenz zu generieren, ist es notwendig, um herauszufiltern, alle diese Modi nicht entartet.
- Verwenden eines ersten Interferenzfilter mit einer Bandbreite von 0,5 nm auf.
- Fügen Sie eine hausgemachte lineare Fabry-Perot-Kavität mit einem freien Spektralbereich von 330 GHz und einer Bandbreite von 300 MHz (Länge ca. 0,4 mm und Finesse rund 1.000). Der Hohlraum Bandbreite größer gewählt als der des OPO und dem freien Spektralbereich größer als das Frequenzfenster des Interferenzfilter sein werden.
- Erzielen mindestens 25 dB ein Gesamtzurückweisung der nicht entarteten Moden.
- Sperren Sie die Filter Fabry-Perot-Hohlraum, der durch die Dither-and-Lock-Technik.
- Hierzu injizieren einen sich rückwärts ausbreitenden Hilfsträger mittels eines optischen Schalters und verwerfen am Eingang der Filterhohlraum mit einem optischen Isolator. Erfassen das Licht am Ausgang.
- Sperren Sie den Hohlraum während 10 ms und starten Sie nach dem Messzeitraum für 90 ms mit dem Hilfsstrahl aus.
- Erfassen die gefilterten heralding Modus durch einen Einzelphotonendetektor in der Messperiode. Eine supraleitende Einzelphotonendetektor (SSPD) wird verwendet, um die Menge der Dunkelrauschen (wenige Hz), die sonst die Treue der bedingten Zustand verschlechtern begrenzen.
3. Quantenzustand Tomographie durch Homodyndetektion
- Ermitteln Sie die angekündigten Zustand mit einer ausgewogenen Homodyndetektion einer 50/50 Strahlteiler, wo das Feld zu charakterisieren und zu einer starken Dauerstrich-Lokaloszillator (LO, 6 mW) zusammengesetzt sind, gebracht, sich einzumischen, und ein Paar von hoher Quanten effizienz InGaAs Photodioden.
- Um die Erkennung auszurichten, spritzen in die OPO-Resonator eine helle Hilfsstrahl bei 1064 nm und Spiel-Modus dieser Modus mit dem LO-Modus. Erreichen Sie eine Rand Sichtbarkeit nahe eins. Jede Modenfehlanpassung quadratisch übersetzt in Erkennung Verluste.
- Überprüfen Sie die Homodyndetektion Eigenschaften. Mit einem LO-Leistung von 6 mW, das Schrotrauschen Grenze (SNL) ist flach bis zu 50 MHz. Es ist mehr als 20 dB über dem elektronischen Rauschen bei niedrigen Analysenfrequenz (MHz), 16 dB über dem bei der Analysefrequenz von 50 MHz. Dieser Abstand ist ein kritischer Parameter, da sie führt zu Verlusten bei der Detektion (ein Abstand von 10 dB (20 dB) führt zu einer 10% (1%) wirksame Verlust) 24.
- Für jedes Detektionsereignis von der Single-Photon-Detektor, notieren Sie die homodyne Photo mit einem Oszilloskop mit einer Abtastrate von 5 GS / s bei 100 ns. Sweep die LO-Phase mit einer PZT-Spiegel montiert ist während der Messung.
- Filter jedes aufgezeichneten Segment mit einem given zeitlichen Mode-Funktion bei jedem erfolgreichen Vorbereitung eine einzige Quadratur Wert der bedingten Zustand zu erhalten. Die optimale Betriebsfunktion für niedrige Verstärkung ist in der Nähe eines doppelseitig Exponentialfunktion 25 mit einer Zerfallskonstante gleich der Inversen der Bandbreite OPO. Der optimale Modus kann auch durch Verwendung eines Eigenfunktionen der Autokorrelationsfunktion 26 ermittelt werden.
- Sammeln Messungen (für die Tomographie 50.000) und Post-Prozess die Daten mit einem Maximum-Likelihood-Algorithmus 27. Dieses Verfahren ermöglicht die Rekonstruktion der Dichtematrix des angekündigten staatlichen und der entsprechenden Wigner-Funktion 8.
4. Bedingte Vorbereitung der Single-Photon-Staat mit einem Typ-II-OPO
- Pumpen Sie den Typ-II-OPO weit unter Grenzwert (1 mW hier für eine 80 MW-Schwelle), eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit von Mehrphotonenpaare.
5. Bedingte Herstellung von CoherentStaatliche Überlagerung mit einem Typ-I-OPO
- Überprüfen Sie die gepressten Vakuum durch die Nähe der Schwelle OPO mit einem Spektrumanalysator erzeugt. Die gemessene Rauschspektren sind in Abbildung 3 dargestellt.
- Betreiben Sie die OPO bei einer Pumpenleistung ermöglicht Beobachtung von rund 3 dB zu quetschen bei niedrigen Seitenband-Frequenzen (einige MHz).
- In der Homodyn-Messung wird die Phaseninformation wichtig für phasenabhängige Zustände wie CSS Zustand. Scannen Sie den LO-Phase mit einer 10 Hz Sägezahn mit einem Tastverhältnis von 90% (entsprechend den 90 ms Messzeit 10 msec und der Sperrzeit.) Synchronisieren der Sweep um sicherzustellen, dass während der Messperiode, gibt es eine einzige Ein-Richtungs-Schwung des PZT-Spiegel montiert.
- Verwenden Sie die homodyne Signal, um die Varianz zu messen und dann schließen die Phase der Quadratur gemessen.
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Representative Results
Für den Typ-II-OPO und die Erzeugung von High-Fidelity-Single-Photon-Zustand:
Das tomographische Rekonstruktion des angekündigten Zustand ist in Fig. 2, wobei die Diagonalelemente des rekonstruierten Dichtematrix und dem entsprechenden Wignerfunktion angezeigt gezeigt. Ohne Verlust Korrekturen, zeigt die angekündigte Staat eine Single-Photon-Komponente so hoch wie 78%. Durch die Berücksichtigung der Gesamterkennungsverluste (15%), erreicht der Staat eine Treue von 91% mit einem Ein-Photonen-Zustand. Die Zwei-Photonen-Komponente, die aus Mehrphotonenpaare Erstellung durch den Abwärtsumwandlungsprozess führt, ist auf 3% begrenzt.
Für den Typ-I-OPO und die Erzeugung von CSS Zustand:
Die Schwelle des Typ-I-OPO ist ca. 50 mW. Um starke Quetschung zu beobachten, messen wir in der Nähe Schwelle, dh mit einer Pumpenleistung von 40 mW und bei einer Analyse Frequenz von 5 MHz. Wie in 3a, t gezeigter gemessen Quetschen -10.5 ± 0,5 dB gegenüber dem Schrotrauschen (ohne Korrekturen, 16 ± 1 dB, wenn zur Detektion Verlust und Elektronikrauschen korrigiert), und das Anti-Zusammendrücken ist 19 ± 0,5 dB. Der vollständige Rauschspektren von 0 bis 50 MHz bei Pumpleistung von 40 mW und 5 mW ist in Fig. 3b gezeigt. Bei einer Pumpleistung von 5 mW, sind die Werte von Quetsch-und Antizusammendrücken nahezu gleich, was zu einem Zustand mit einer Reinheit nahe Eins. Diese hochreinen Vakuumzustand gequetscht wird verwendet, um die CSS-Staat vorzubereiten. Das tomographische Rekonstruktion des angekündigten Zustand ist in Fig. 4, wobei die Diagonalelemente des rekonstruierten Dichtematrix und dem entsprechenden Wignerfunktion angezeigt gegeben.
High-Fidelity-Single-Photon-Zustand Abbildung 2.. (A) Dia eckigen Elemente des rekonstruierten Dichtematrix ohne Korrektur von Erkennungs Verluste. (b) Entsprechende Wigner-Funktion. x und p bezeichnen Quadratur-Komponenten.
Abbildung 3. Gemessene Schallspektren von gepressten erzeugte Vakuum von Staaten der Typ-I PPKTP OPO. Alle Daten werden durch einen Spektrum-Analysator mit einer Auflösungsbandbreite von 300 kHz und einer Videobandbreite von 300 Hz aufgezeichnet. Spektren normiert auf die Schrotrauschgrenze. (A) Rauschvarianz als Funktion des lokalen Oszillators Phase bei einer Pumpleistung von 40 mW und eine Analyse der Frequenz von 5 MHz. (B) Breitband Drücken bis zu 50 MHz für eine Pumpe Leistung von 5 mW und einer Pumpleistung von 40 mW. Die Spitze bei 12 MHz ergibt sich aus dem elektrooptischen Modulation verwendet, um die Hohlräume zu verriegeln.
Abbildung 4. Coherent Zustand Überlagerung ("Schrödingers Katze" Zustand). (A) Diagonal-Elemente des rekonstruierten Dichtematrix ohne Korrektur von Erkennungs Verluste. (B) Entsprechende Wigner-Funktion. x und p bezeichnen Quadratur-Komponenten.
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Discussion
Die bedingte Präparationstechnik hier präsentiert wird, ist immer ein Zusammenspiel zwischen dem ursprünglichen zweiseitigen Ressource und der Messung durch den Detektor heralding durchgeführt. Diese beiden Komponenten stark beeinflussen die Quanteneigenschaften des erzeugten Zustand.
Erstens, die Reinheit der hergestellten Zustände hängt stark von der einer der ersten Ressourcen, also eine "gute" OPO erforderlich. Was ist eine "gute" OPO? Es ist ein Gerät für die das Entweichen Effizienz η nahe eins. Der Parameter η wird durch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes des Ausgangskopplers, T, und die Summe dieser Übertragung und der Intra-Hohlraumverluste (von Streuungen oder Absorption in dem Kristall), L + T gegeben Bei einem gegebenen L sollte die Übertragung des Ausgangs auf Kosten einer Erhöhung der Schwellen quadratisch mit dieser Übertragung erhöht werden. Die Flucht Effizienz direkt die maximale Höhe der Quetschung, die obtai kann definiertned in der Nähe Schwelle. Hier ist die Flucht Wirkungsgrad etwa 96% für beide OPO. Für den bedingten Herstellung der OPO wird dann weit von der Schwelle, um eine hohe Reinheit zu gewährleisten bedient.
Ein weiterer Faktor kommt aus dem läutet Einzelphotonendetektion. Zunächst sind die derzeitigen Einzelphotonendetektoren meist ein / aus Detektoren nur den Nachweis von mindestens 1 Photon ankündigen. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, um in einem Regime, wo die Wahrscheinlichkeit, zwei Photonen in dem Behandlungspfad haben, ist sehr gering im Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon haben. Zweitens kann Detektoren laut sein. Solche Ereignisse nicht kündigen die Generation der Zielzustand und führen zu einer Mischung der angekündigten staatlichen und der anfänglichen Ressource. Insbesondere würden sie sich auf eine Mischung von Vakuum in der Single-Photon-Zubereitung oder gequetscht Vakuum in der CSS-Herstellung führen. In unserem Experiment nutzen wir einen supraleitenden Einzelphotonendetektor, diesen Beitrag zu begrenzen. ThE Dunkelrauschen ist um ein paar Hertz (während Einzelphotonenzählung Rate zehn kHz).
Das hier vorgestellte Verfahren erlaubt die zuverlässige Erzeugung von nicht-Gaußsche Zustände mit hoher Wiedergabetreue, vor allem durch die Verluste in der Erfassung aufgrund der Nähe der Einheit entweichen Wirkungsgrad des OPO beschränkt. Darüber hinaus wird die gut kontrollierten Raum-Zeit-Modus, in dem sie erzeugt werden ihren Einsatz in nachfolgenden Protokollen, wo solche Zustände müssen möglicherweise mit anderen optischen Mitteln, z. B. in der optischen Tor-Implementierungen 28 oder komplexe Zustands Engineering 29 stören erleichtern.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wird durch das ERA-NET CHIST-ERA ('QScale "-Projekt) und der ERC Starting Grant" HybridNet' unterstützt. F. Barbosa erkennt die Unterstützung von CNR und FAPESP und K. Huang die Unterstützung von der Stiftung für den Autor des National Ausgezeichnete Dissertation von China (PY2012004) und der China Scholarship Council. C. und J. Fabre Laurat sind Mitglieder des Institut Universitaire de France.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Pump laser | Innolight | Diabolo | Dual output, IR and 532 nm |
| KTP and PPKTP crystal | Raicol | Available from other vendors | |
| Interferential filters | Barr associates | ||
| High efficiency photodiodes | Fermionics | Quantum efficiency above 97% | |
| Oscilloscope | Lecroy | Wave runner 610 Zi | Used for data acquisition |
| Spectrum analyser | Agilent | N9000A | Available from other vendors |
| Faraday rotator | Qioptic | FR-1060-5SC | Available from other vendors |
| PZT | PI | P-016.00H | Available from other vendors |
| Superconducting single-photon detectors | Scontel | SSPD | low dark counts |
| Optical switch | Thorlabs | OSW12-980E | Available from other vendors |
References
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