Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

توليد ومراقبة متماسكة من الامشاط التردد النبضي الكم

doi: 10.3791/57517 Published: June 8, 2018
* These authors contributed equally

Summary

ويرد بروتوكول لعملية توليد والتلاعب متسقة الأبعاد عالية التردد-بن متشابكاً فوتون الدول استخدام تجاويف الدقيقة المتكاملة والمكونات القياسية الاتصالات السلكية واللاسلكية، على التوالي.

Abstract

نقدم وسيلة لتوليد والتلاعب متماسكة من الامشاط التردد الكم نابض. وحتى الآن، ظلت طرق إعداد الدول عالية ثلاثي الأبعاد في رقاقة بطريقة عملية بعيد المنال بسبب التعقيد المتزايد للدوائر الكم اللازمة لإعداد وتجهيز مثل هذه الدول. هنا، فإننا مخطط متشابكاً، وبن التردد كيف عالية ثلاثي الأبعاد، يمكن أن تتولد الدول اثنين-فوتون بمعدل توليد مستقرة وعالية باستخدام إثارة تجويف متداخلة، بنشاط وضع تأمين تجويف الصغرى غير الخطية. يتم استخدام هذا الأسلوب لإنتاج الامشاط التردد الكم نابض. وعلاوة على ذلك، كيف يمكن أن تكون الدول الكم متماسك ونحن هذا التلاعب باستخدام مكونات الاتصالات السلكية واللاسلكية القياسية مثل المرشحات القابلة للبرمجة والمغيرون الكهرضوئية. على وجه الخصوص، نعرض بالتفصيل كيفية إنجاز القياسات توصيف الدولة مثل التعمير مصفوفة الكثافة وصدفة الكشف وتحديد الطيف فوتون واحد. طرق عرض أساسا موجوداً وإعادة التشكيل، وقابلة للتطوير لبروتوكولات الدولة العليا-الأبعاد المعقدة إعداد والتلاعب في مجال التردد.

Introduction

مراقبة الظواهر الكم يفتح إمكانية التطبيقات الجديدة في ميادين متنوعة كالكم أمن الاتصالات1، تجهيز2، والكم الاستشعار3المعلومات الكم قوية. بينما هي قيد البحث مجموعة متنوعة من الأنظمة الأساسية المادية بنشاط للتحقيقات من الكم التكنولوجيات4، بصري الكم الدول هي المرشحين هامة كما أنها يمكن أن تظهر أوقات طويلة التماسك والاستقرار من الضوضاء الخارجية، ممتازة خصائص الإرسال، فضلا عن التوافق مع القائمة الاتصالات السلكية واللاسلكية وتكنولوجيا السيليكون رقاقة (CMOS).

نحو كامل إمكانات الفوتونات للتكنولوجيات الكم، يمكن زيادة محتوى الدولة تعقيد والمعلومات من خلال استخدام متعددة الأطراف متشابكاً و/أو أبعاد عالية. ومع ذلك، جيل على شريحة من هذه الدول الضوئية تفتقر إلى التطبيق العملي الأجهزة هي معقدة وغير قابلة للتحجيم تماما، و/أو استخدام مكونات متخصصة للغاية. على وجه التحديد، يتطلب تشابك المسار عالية ثلاثي الأبعاد Equation 01 مصادر متطابقة متحمس متماسك والدوائر مفصلة لشق شعاع5 (حيث Equation 01 هو أبعاد الدولة)، في حين أن الوقت-تشابك الاحتياجات المعقدة تشكل الذراع متعدد6. بشكل ملحوظ، التردد-المجال مناسبة تماما لتوليد قابلة للتحجيم والسيطرة على الدول معقدة، كما هو موضح باستغلاله مؤخرا في الكم التردد كومز (قطر)7،8 باستخدام مزيج من البصريات المتكاملة و الهياكل الأساسية للاتصالات السلكية واللاسلكية9، ويوفر إطارا واعداً لتكنولوجيات المعلومات الكم مستقبلا.

يتم إنشاء قفكس على شريحة باستخدام التأثيرات البصرية غير الخطية في تجاويف صغيرة متكاملة. استخدام مثل هذه الجزئية غير خطية-مرنان، تصدر الفوتونات متشابكاً اثنين (لاحظ إشارة والمتكاسل) خلط أربعة-موجه عفوية، عبر إفناء اثنين الإثارة الفوتونات-مع زوج الناتجة التي تم إنشاؤها في تراكب في تجويف وسائط تواتر رنانة متباعدة بشكل متساو (الشكل 1). إذا لم يكن هناك اتساق بين أوضاع التردد الفردية، هو دولة ما تردد-بن متشابكاً شكلت10، التي كثيرا ما يشار إليها دولة تأمين وضع فوتون اثنين11. ويمكن وصف هذه الدولة وظيفة الموجه،

Equation 02

هنا، Equation 03 و Equation 04 المتكاسل طريقة واحدة التردد وإشارة المكونات، على التوالي، و Equation 05 هو مطال الاحتمال Equation 06 -ال زوج وضع إشارة المتكاسل.

المظاهرات السابقة من قفكس على شريحة إبراز استعمالاتها كمنصات المعلومات الكم قابلة للحياة، وتشمل الامشاط الفوتونات مرتبطة12، الفوتونات الاستقطاب عبر13،14،الفوتونات متشابكاً15 , 16، فوتون متعدد الدول15، والتردد وبن متشابكاً الدول9،17. هنا، نحن نقدم عرضاً مفصلاً لمنهاج قطر وبروتوكول للأبعاد عالية التردد-بن متشابكاً جيل الدولة البصري والتحكم.

تطبيقات الكم مستقبلا، وخصوصا تلك التي يمكن ربطه مع الإلكترونيات عالية السرعة (لتجهيز المعلومات في الوقت المناسب)، الطلب الجيل نسبة عالية من الدول فوتون عالي النقاء في إعداد الاتفاق ومستقرة. نستخدم نظام تجويف بنشاط وضع غير الساحلية، والمتداخلة لإنتاج قفكس داخل نطاقات التردد S و C و L الاتصالات السلكية واللاسلكية. هو إدماج الصغرى-خاتم أكبر ليزر النبضي تجويف، مع اكتساب الضوئية (المقدمة من ألياف الاربيوم يخدر مكبر للصوت، أدفأ) تمت تصفيتها لمطابقة عرض النطاق الترددي الإثارة الصغير-حلقة18. تأمين وضع نشاط يتحقق عن طريق التحوير الكهرضوئية خسائر تجويف19. ويضمن المعزل أن إكثار نبض يتبع اتجاه واحد. قطار نبض الناتجة عن الضوضاء منخفضة جداً جذر متوسط مربع (RMS) ويسلك معدلات الرسوب الانضباطي والنبض القوى. عامل تصفية درجة عالية من عزلة تفصل قطر الفوتونات المنبعثة من مجال الإثارة. وتسترشد هذه الفوتونات واحد ثم عن طريق الألياف لمراقبة وكشف.

لدينا مخطط خطوة نحو جيل-معدل مرتفع، مصدر قطر الصغيرة البصمة، كما يمكن يحتمل أن دمج جميع المكونات المستخدمة على رقاقة الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، الإثارة نابض خاصة مناسبة تماما لتطبيقات الكم. أولاً، يبحث في زوج من الأصداء الدقيقة-تجويف متماثل إلى الإثارة، فإنه ينشئ اثنين-فوتون الدول حيث تتميز كل فوتون بوضع التردد واحد – مركزية الكم الضوئي الخطي الحوسبة20. كذلك، يمكن أن تتولد الدول المتعددة فوتون بالانتقال إلى نظم الإثارة السلطة العليا وتحديد عدة أزواج المتكاسل إشارة15. وثانيا، كما تنبعث الفوتونات في الإطارات الزمنية المعروفة المقابلة للإثارة نابض، يمكن تنفيذها بعد المعالجة والنابضة لتحسين الكشف عن الدولة. ربما الأهم من ذلك، لدينا نظام يدعم معدلات توليد عالية من الدول فوتون باستخدام تأمين وضع متناسق دون تخفيض نسبة مصادفة لعرضي (سيارات)--التي يمكن أن تمهد الطريق للمعلومات الكم عالية السرعة، ومتعدد القنوات التكنولوجيات.

يجب أن يتم سيطرة الدول قطر لإثبات أثر وجدوى مجال التردد، بطرق محددة الأهداف، ضمان التحولات ذات كفاءة عالية وتماسك الدولة. لتلبية هذه الاحتياجات، نستخدم مرشحات للبرمجة متعاقب والمرحلة المغيرون – مكونات المنشأة في صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية. يمكن استخدام مرشحات للبرمجة لتفرض السعة الطيفية التعسفي وقناع المرحلة على الفوتونات واحدة، بدقة كافية لمعالجة وضع التردد كل على حدة؛ وتسهيل المرحلة الكهرضوئية المغيرون مدفوعا بمولدات الإشارات تردد الراديو (RF) خلط مكونات تردد21.

الجانب الأكثر أهمية من نظام المراقبة هذا أنها تعمل على جميع وسائط الكم من الفوتونات في وقت واحد في وضع مكانية واحد، باستخدام عناصر تحكم واحد. زيادة أبعاد حالة كمومية لن يؤدي إلى زيادة تعقيد الإعداد، على عكس مسار أو الوقت بن شرك مخططات. كذلك، يتم كافة مكونات إعادة التشكيل خارجياً (معنى يمكن تغيير العمليات دون تعديل الإعداد)، واستخدام الهياكل الأساسية للاتصالات السلكية واللاسلكية الموجودة. وهكذا، التطورات الحالية والمقبلة في المجال المعالجة الضوئية فائق السرعة يمكن مباشرة نقل قابلة مراقبة الدول الكم في المستقبل.

وباختصار، استغلال مجال التردد من قفكس يدعم ارتفاع معدل توليد معقدة الكم الدول وسيطرتها، وهو بالتالي مناسبة تماما لتسخير الدول معقدة نحو التكنولوجيات الكم عملية وقابلة.

Protocol

1-توليد التردد العالي ثلاثي الأبعاد-بن متشابكاً الدول عن طريق الإثارة نابض

  1. بعد المخطط المبين في الشكل 2 (مرحلة الجيل)، قم بتوصيل كل مكون باستخدام الألياف البصرية-الاحتفاظ بالاستقطاب (لتحسين الاستقرار البيئي).
  2. توصيل إمدادات طاقة الكهرومغناطيسية السعة الكهرضوئية، وتنطبق إزاحة جهد DC، ضبط قيمة الإزاحة حتى الطاقة الضوئية المرسلة من خلال ذلك هو النصف تقريبا (تقاس باستخدام مقياس طاقة ضوئية)، على سبيل المثال.، وأن ذروة قيمة انتقال 2 ميغاواط هو النصف إلى 1 ميغاواط.
  3. قياس طول تجويف خارجي التقريبي. حساب المسافات وضع تجويف خارجي باستخدام العلاقة،
    Equation 07
    حيث Equation 08 هو وضع تجويف خارجي التباعد، c هي سرعة الضوء في الفراغ، Equation 09 هو مؤشر فعال من الوسط تجويف، و L هو طول تجويف خارجي. على سبيل المثال، سيكون تباعد الأسطر وضع تجويف التقريبي تجويف م 20 تتألف من الألياف مع إنكسار فعالية من 1.46، 10.2 ميغا هرتز.
  4. قم بتشغيل أدفأ لبدء ومدراؤها.
  5. إدراج الضوئي بسرعة في الإعداد في مقرنة تجويف أو منافذ عصابة أخرى. توصيل الإشارة الضوئي للذبذبات لمراقبة كثافة الحقل الإثارة في مجال الوقت.
  6. تعيين دقة الوقت الذبذبات إلى < 100 ps (عن طريق مقبض المقياس الأفقي) من أجل حل البقول ns-مقياس. في هذه الخطوة، سوف تظهر الإخراج على الذبذبات دون المغير المنشط، عملية النبض غير مستقرة بجودة منخفضة، قطار نبض ضوضاء عالية.
  7. قم بتوصيل مولد دالة المغير السعة الكهرضوئية. تعيين تكرار إخراج مولد دالة إلى التباعد وضع تجويف خارجي (التقريبية) الموجودة أعلاه (أو التوافقي ذلك). ينفذ هذا الإشارة الوضع التأمين. اختر أما النبض الموجي (مستطيل) أو موجه جيبية للتحوير. قم بتشغيل مولد الدالة.
  8. لحن تواتر مولد الدالة الترددات اللاسلكية والعاصمة إزاحة لتحسين واستقرار الشكل قطار نبض على الذبذبات. إذا كان يتم استخدام إشارة قيادة نابض، تحسين دورة العمل الخاصة به.
  9. ضبط كسب أدفأ لخفض (أو زيادة) كثافة نبض للنظام فيها خصائص الفوتونات التي تم إنشاؤها يدوياً حسب رغبة المستخدم (السيارة متري مفيدة هنا--انظر أدناه للحصول على التفاصيل المتعلقة قياس). لهذا، قارن رسوم بيانية كل من قبيل المصادفة المتولدة عن الواجهة المرئية التي تأتي مع الإلكترونيات توقيت.
  10. تغذية القناة مزامنة توقيت الإلكترونيات مع إشارة تأمين وضع الترددات اللاسلكية لمزامنة أجهزة كشف فوتون واحد مع توليد زوج فوتون أو الإشارات قطار نبض (اكتشفتها الضوئي).
  11. لزيادة معدل الجيل قفكس، محرك المغير تأمين الوضع في التوافقيات أعلى التباعد التردد تجويف خارجي بينما في الوقت نفسه زيادة المكسب أدفأ التأكد من الصلاحية كل نبض — وهذا يحافظ الفوتون زوج السيارة بينما زيادة معدل إنتاج زوج (الشكل 3). لذلك، زيادة تواتر إخراج مولد الدالة وكسب أدفأ على التوالي.

2-السيطرة على وتيرة عالية ثلاثي الأبعاد-بن متشابكاً الولايات

  1. بعد المخطط المبين في الشكل 2 (مرحلة التحكم)، الاتصال كافة المكونات باستخدام ألياف الحفاظ على الاستقطاب. بداية من تصفية الشق في نظام الجيل، الاتصال في تصفية السلسلة الأولى للبرمجة والمغير في المرحلة الثانية التصفية القابلة للبرمجة. وأخيراً الاتصال كاشفات فوتون واحد لأغراض القياس.
  2. عملية التصفية للبرمجة
    ملاحظة: اعتماداً على محددة التطبيق/القياس يجري تنفيذها، المعلمات السيطرة من قطر سوف تختلف وأقنعة المرحلة والسعة تطبيقها على وسائط التردد يجب أن يتحدد وفقا لذلك. يمكن استخدام قناع السعة للتخفيف أو منع بعض وسائط التردد والقناع المرحلة يمكن نقلها إلى تحول مرحلة تعسفي في كل وضع.
    1. تحديد الأقنعة اللازمة للتطبيق/القياس المطلوب.
    2. عبر واجهة بصرية مرشح للبرمجة22، تعيين السعة للقنوات وضع التردد المطلوب وتخفف من جميع الآخرين.
    3. وبالمثل، تطبيق قناع المرحلة (مرحلة تطبيق إلى القنوات غير مرغوب فيها غير مهم، كما أنها هي يخفف تماما). التحكم في عامل التصفية للبرمجة مع واجهة بصرية حيث يتم تحديد الترددات المرغوبة.
  3. عملية التحوير المرحلة
    1. استخدام التعديل المرحلة، مدفوعا بإشارة دورية، وتقسيم كل مكون الطيفي متباعدة بشكل متساو بتواتر مولد الإشارات التي يقود المغير المرحلة الفرق بين الجانب. استخدام هذا المزيج عدة طرق تواتر الكم مختلفة، شبيهة بشق شعاع المكانية في مخططات المسار-تشابك. في نظام الكم، يعتبر التحوير المرحلة الكهرضوئية كم نثر العملية23.
    2. تحديد أوضاع تردد الهدف (اعتماداً على Equation 01 ، ويتم إجراء القياس/التجهيز) وحساب نمط الجهد (التردد والسعة لمولد موجه جيبية بمعدل) الأمثل المطلوب Equation 10 القيم (انظر أدناه للحصول على بعض تفاصيل حول هذا).
    3. قم بتوصيل مولد إشارة مكبر للصوت الترددات اللاسلكية باستخدام كابلات خسارة منخفضة (مثل SMC الكابلات). قم بتوصيل إخراج مكبر للصوت الترددات اللاسلكية المغير المرحلة، أيضا باستخدام كابلات RF كافية. بمجرد توصيل جميع الترددات اللاسلكية ينتهي وإنهاؤها بشكل صحيح، التحيز مكبر للصوت الترددات اللاسلكية.
    4. ضمان أن مكبر للصوت الترددات اللاسلكية قد يكفي إنتاج الطاقة محرك الأقراص في المغير المرحلة الكهرضوئية بالجهد الكافي لتلبية شروط الاختلاط المطلوب – وهذه حدود عدة Equation 11 (الجهد نصف موجه من المغير المرحلة). تأكد أيضا من أن الترددات اللاسلكية الكابلات والموصلات، كافية لنطاق التردد وعرض النطاق الترددي لإشارة القيادة.
    5. تعيين مولد إشارات الترددات اللاسلكية (الذي يقود المغير المرحلة) على تردد الذي سوف تتداخل الأوضاع المطلوبة مع الفرق بين الجانب الذي تم إنشاؤه (على سبيل المثال-، 33 غيغاهرتز).
    6. قم بتشغيل مولد إشارات مزج وسائط التردد.
    7. للتحقق من أن يتم تطبيق التعديل الصحيح، إرسال ليزر كونتينووسوافي عن طريق المغير المرحلة وتحقق من أن الطيف الناتج يناظر التحوير المقصود استخدام محلل طيف بصري (المعلمات التحوير يمكن زيادة الأمثل، انظر الملاحظات).
      الأمثل لأوضاع التردد (تحديد دالة الأمثل التردد والسعة) خلط ملاحظة: تعتمد اعتماداً كبيرا على نظام الاختلاط المطلوب والتجربة المنجزة، والدولة أبعاد Equation 01 . إذا كان ذلك ممكناً، ينبغي أن مخططات خلط مزيج طرق قريبة بوضع التردد الأولى (عند امبليتثد منخفضة-عدد صحيح) لزيادة كفاءة خلط. على سبيل المثال، إذا كان Equation 12 ، خلط من المستحسن أن تقع في منتصف الطريق بين أوضاع التردد اثنين (وهكذا، تحوير مرحلة ينبغي أن تكون مدفوعة بتردد لها عدد صحيح متعددة يساوي نصف تواتر وضع الكم المباعدة بين الولادات، أو مجاناً الطيفية المدى (FSR)). ومع ذلك، ل Equation 13 ، خلط من المستحسن أن تحدث في وضع مركز التردد (المرحلة التي ينبغي أن تكون مدفوعة التحوير بتردد مع عدد صحيح تكافؤ متعددة إلى FSR). على سبيل المثال، مع Equation 13 وتجويف الصغير Equation 14 غيغاهرتز، يتم تعيين تحوير مرحلة القيادة إشارة إلى 33.33 GHz أن Equation 15 الجانبية يتراكب مع أوضاع التردد المجاورة-بينما يترك أيضا كثافة كافية في المركز وضع التردد. ينتج عن هذا التداخل بين امبليتثد المجاورة وسائط Equation 16 ، Equation 17 و Equation 18 في وضع تردد مركز Equation 17 . الشكل 4a يتصور مثالاً على عملية التحوير ومعاملات الجانبية. وضع التردد كل يخضع لنفس المرحلة تحوير ويخلق نفس التوزيع الجانبية، ولكن تتمحور حول وضع التردد الأصلي (الشكل 4 أ). وضع تردد واحد، ويتم حساب الاتساع الجانبية كالمعاملات ل سلسلة فورييه24،
      Equation 19
      حيث Equation 10 هو نقل السعة إلى Equation 20 الجانبية-th، Equation 21 هو التردد التي تحركها المغير المرحلة، Equation 22 هو نمط التحوير المرحلة (الدوري مع تواتر Equation 21 )، و Equation 23 هو وسيطة لدالة التعديل الدوري (Equation 24). لإشارة قيادة جيبية، Equation 25 ، ستريك الفرقة الجانب موصوفة بالتوسع في الغضب جاكوبي،
      Equation 26
      Equation 27
      حيث Equation 28 هو Equation 20 -الترتيب دالة بيسل من النوع الأول في تقييم Equation 29 و Equation 30 هو التحول مرحلة الحد الأقصى (حيث Equation 31 هو مطال الجهد إشارة القيادة نغمة واحدة).

3-معالجة الأبعاد عالية التردد-بن متشابكاً الولايات

  1. طيف فوتون مفرد
    1. قم بإدراج جهاز كشف فوتون واحد بعد تصفية مجال الإثارة من قطر، في إخراج عامل تصفية للبرمجة.
    2. عن طريق برامج الكمبيوتر تصفية القابلة للبرمجة، تجتاح عرض النطاق الترددي التصفية الكاملة للبرمجة استخدام قناع سعة تصفية ممر الموجه ضيقة، وقياس معدلات العد فوتون كدالة للتردد. على سبيل المثال، إذا كانت الواجهة البصرية/مراقبة استخدام برنامج نصي في MATLAB (الذي يتم ربطه مع عنصر تحكم عامل تصفية للبرمجة والإلكترونيات توقيت) وإدخال قيم عرض النطاق الترددي المطلوب تصفية والخطوة رقم وانقر فوق "تشغيل". ضمان حساب الوقت التكامل كافية للحصول على فوتون السليم.
    3. لإعادة بناء الطائفة من هذه البيانات، الأرض (على سبيل المثال، استخدام برنامج نصي Matlab) معدلات العد فوتون ضد الطول الموجي المطابق (ممر الموجه تصفية مركز) حيث تم الحصول عليها.
  2. القياس من قبيل الصدفة
    1. لإجراء قياس صدفة، تقسيم بتوجيه الإشارات والفوتونات متسكع لفصل كاشفات فوتون واحد. إذا كان عامل التصفية للبرمجة متعددة المنافذ، استخدامه لتنفيذ الفصل. وبخلاف ذلك، إدراج شعبة كثيفة الطول الموجي معدد إرسال (DWDM) قبل الكشف عن فوتون واحد واستخدام هذا لتوجيه الفوتونات.
    2. حدد إشارة وزوج متسكع (على سبيل المثال، خطوط الرنين الثاني فيما يتعلق بتواتر الإثارة وإشارة-2 والمتكاسل-2) في البرمجة باستخدام تصفية (عن طريق واجهة البرنامج التي تم توفيرها) وتوجيهها إلى اثنين للكشف عن فوتون واحد منفصل. على سبيل المثال، لبرنامج وافيماناجير، انقر فوق القائمة الفرعية Flexgrid، انقر فوق "إضافة" وأدخل الطول الموجي وإخراج المنفذ ل القناة المختارة22.
    3. تسجيل وقت وصول الإشارة ومتسكع الفوتونات تستخدم لتحويل الوقت إلى النظام الرقمي. من هذه القياسات، يتم حساب وقت التأخير بين الفوتونات اثنين. ارسم الرسم بياني (على سبيل المثال، استخدام برنامج نصي Matlab) من قبيل المصادفة التهم لفترة زمنية Equation 32 بين المتكاسل والإشارات – يوفر هذا قياس من قبيل صدفة.
      ملاحظة: متري سيارة يقارن العدد من التهم الحقيقية من قبيل المصادفة من أزواج فوتون التي تم إنشاؤها مع التهم المصادفة العرضية الناجمة عن عمليات فوتون متعددة وتهم بالظلام.
    4. من قياس المحسوبة أعلاه، سجل العدد من التهم الموجهة إليه في ذروة مركز (الصدف النابعة من الفوتونات التي أنتجت في النبض نفسه، تتمحور حول التأخير صفر، Equation 33 ) – وهو القيمة من قبيل الصدفة.
    5. سجل متوسط عدد من التهم الموجهة إليه في كل جانب-الذروة (إنتاج الصدف للفوتونات في نبضات مختلفة، حيث Equation 32 هو تدريب متعددة من النبض الفترة، أي.، عكس معدل تكرار النبضة)، الذي هو قيمة عرضي.
      ملاحظة: السيارة هو ببساطة نسبة هاتين القيمتين (مصادفة قيمة القيمة/عرضي).
  3. مصفوفة كثافة التعمير
    ملاحظة: تعتمد عملية التعمير مصفوفة كثافة على العديد من المعلمات للدولة الكم: أبعاد الفوتونات، والعدد من الفوتونات، وتقاس فيه وسائط. يساوي عدد القياسات الخام المطلوبةEquation 34، حيثEquation 01هو أبعاد وEquation 35هو عدد الفوتونات. لذا، على سبيل المثال، زوج اثنين-فوتون مع أبعاد منEquation 13وسوف تتطلب القياسات 81. وسيتناول هذا البروتوكول العملية العامة للتعمير مصفوفة الكثافة، مع أمثلة لزوج منEquation 13وضع تردد الفوتونات.
    1. تحديد مجموعة من ناقلات أساس للدولة المنشودة ومجموعة من ناقلات الإسقاط (انظر أدناه للحصول على تفاصيل حول كيفية اختيار هذه على نحو مناسب).
    2. مع قياس صدفة، استخدم أما عامل تصفية لبرمجة أو إشارة طريق DWDM والفوتونات متسكع لفصل كاشفات فوتون واحد.
    3. عن طريق مراقبة برامج تصفية القابلة للبرمجة، حدد طرق التردد المطلوب وتخفف من جميع الآخرين. تعيين المرحلة قيم قناع لتحقيق وافيفيكتور إسقاط كل على حدة وسجل قياس من قبيل صدفة. من المهم أن تسمح في نفس الوقت التكامل بين الإسقاطات المختلفة من قبيل المصادفة التهم.
    4. استخدام برنامج نصي مخصص كمبيوتر، يتم حساب مصفوفة كثافة الفوتونات باستخدام قياسات العد صدفة الخام من كل وافيفيكتور الإسقاط (انظر أدناه للحصول على التفاصيل الحسابية ذات الصلة).
      ملاحظة: عند تحديد ناقلات أساس لقياس كثافة مصفوفة، فهي تغطي مساحة الدولة. لذلك المثال، نواقل أساس
      Equation 36
      لدولة Equation 37 ، مصفوفة كثافة يصف حالة كمومية،
      Equation 38
      مصفوفة كثافة لأي نظام الحقيقية المادية يجب أن تكون مصفوفة إيجابية أكيدة، هيرميتيان--ولكن بسبب الضوضاء، وهذا قد لا دائماً تكون الحالة. يمكن أن تكون ممثلة في حالة المثال مع الأساس الذي تم اختياره، وافيفيكتور للدولة أقصى تردد متشابكاً مثالية
      Equation 39
      وهكذا، تكون مصفوفة الكثافة النظرية:
      Equation 40
      يتم أخذ قياسات الإسقاط في سلسلة من الإسقاط وافيفيكتورس، Equation 41 . وترد التهم من قبيل الصدفة لكل التوقعات،
      Equation 42
      حيث Equation 43 ثابت (انظر التعريف أدناه).
    5. اختر مجموعة متعامد من Equation 44 ، تطبيع المصفوفات، Equation 45 ، وأن
      Equation 46
      حيث Equation 47 هو التتبع، Equation 01 هو البعد، Equation 35 هو عدد الفوتونات، و Equation 48 هي دالة دلتا كرونكر. يمكن تركيب هذه المصفوفات باستخدام سو الوحدوي الخاصة (Equation 01) المولدات الكهربائية (التي يوجد منها Equation 49 )، جنبا إلى جنب مع مصفوفة الهوية، من خلال جميع تركيبات المنتجات موتر ممكن25. انظر أدناه للمصفوفات المتعامدة القضية مثال.
    6. إعادة بناء مصفوفة الكثافة، Equation 50 ، عن طريق العلاقات التالية،
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      حيث Equation 55 يهم الفوتون Equation 56 -عشر ناقلات الإسقاط، Equation 57 هي ناقلات الإسقاط (انظر الخطوة التالية)، حيث Equation 58 و Equation 59 تحسب وفقا لتعريف المعادلة.
      ملاحظة: يتم إسقاط وافيفيكتورس في حالة المثال،
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      تجريبيا، تتحقق هذه وافيفيكتورس بتلقين التحول المرحلة المناسبة في كل وضع عن طريق تصفية القابلة للبرمجة. الرجوع إلى المنشور السابق25 لمناقشة حول موجهات الإسقاط. متعامد مجموعة مصفوفات، Equation 69 على سبيل المثال يتم اختيار الحالة أولاً باستخدام مولدات SU(3) جنبا إلى جنب مع مصفوفة الهوية،
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      ويتم حسابها ك،
      Equation 79
    7. لإجراء مناقشة أكثر تعمقاً لإعادة إعمار الدولة عالية ثلاثي الأبعاد، الرجوع إلى مرجع 25 25.

Representative Results

الخطة المفصلة لتوليد ومراقبة الدول بن التردد العالي ثلاثي الأبعاد (استناداً إلى الإثارة غير الخطية الدقيقة-تجاويف، الشكل 1) ويرد في الشكل 2. هذا الإعداد يستخدم مكونات الاتصالات السلكية واللاسلكية القياسية ومرنة للغاية في معدل إنتاج فوتون وعمليات المعالجة المطبقة. ويبين الشكل 3 وصف مخطط الجيل من خلال معدل صدفة والسيارة كدالة معدل التكرار، مما يدل على أنه يمكن زيادة إنتاج أزواج فوتون دون التقليل من السيارة. في المقطع التحكم، مرشحات للبرمجة والمرحلة المغيرون (الشكل 4 أ) السماح بالتحكم متماسكة من وافيفونكشنز فوتون. نظام تحكم يستخدم لإجراء التصوير المقطعي حالة كمومية من Equation 13 ، نظام اثنين-فوتون إعادة بناء مصفوفة كثافة الدولة، كما هو موضح في الشكل 4 باء. تدل النتائج ممتازة الاتفاق بين الدول يقاس وأقصى متشابكاً، مع إخلاص حقق 80.9 في المائة.

Figure 1
رقم 1: جيل مشط التردد النبضي الكم. حقل نابض يثير صدى تجويف الصغرى غير خطية واحدة (أخضر). خلط أربعة-موجه عفوية يتوسط إبادة الفوتونات اثنين من الإثارة الطيفية-الوضع وتوليد اثنين ابنه الفوتونات، دعا المتكاسل والإشارات (أحمر وأزرق)، متماثل طيفيا للإثارة. زوج فوتون أيضا في تراكب كم تواتر أوضاع المعرفة بالاصداء، أن هذه ايجينباسيس تحددها الدولة هاملتون، يمثل وافيفونكشن مبلغ تم تسويتها من ايجينفيكتورس وضع التردد متماثل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: منصة لتوليد حالة كمومية عالية-الأبعاد العملية والتحكم- 26،جهاز رنان الدائري الصغير27 مضمن في تجويف أكبر، والخارجية. يضم هذا التجويف الخارجي المغير نشطة الكهرضوئية سعة مدفوعا بمولد إشارات، ومكون مكسب بصري، ومرشح تمرير نطاق ضيق، مع قصر نبض الإثارة المتداولة لشريط تمرير المقابلة لواحد صدى تجويف الصغرى. مشط التردد الكم التي تم إنشاؤها من خلال هذا المخطط (الشكل 1) يتم تصفيتها من مجال الإثارة وننقلها إلى مرحلة التحكم عبر عامل تصفية الشق. هنا، يمكن استخدام سلسلة من المرشحات القابلة للبرمجة والمغيرون المرحلة الكهرضوئية (مدفوعة بإشارة تضخيم من مولد إشارة RF) للتعامل مع الدولة. في مرحلة التجهيز، يتم توجيه المتكاسل والفوتونات إشارة إلى فصل واحد-فوتون للكشف عن استخدام DWDM، ووقت التأخير يقاس باستخدام التوقيت للإلكترونيات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: صدفة قياس معدل (أعلى) ونسبة مصادفة لعرضي (السيارات) (أسفل) لأزواج فوتون المقابلة لأوضاع تردد إشارة-2 والمتكاسل-2 كدالة لزيادة معدل الرسوب لتناسق تأمين وضع نابض الإثارة- كما أبقى على صلاحيات الشكل وذروة النبض لمعدلات الرسوب مختلفة، عثر المعدل من قبيل الصدفة أن تنمو خطيا في حين السيارة كان إلى حد كبير الحفاظ على. انخفاض طفيف في السيارة وعن انخفاض خطي ناقصة تعزى إلى انحرافات صغيرة من قوة الإثارة المستهدفة. أشرطة الخطأ تتوافق مع الانحراف المعياري المحسوب للقياسات الخمس. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: توليد امبليتثد عبر الكهرضوئية مرحلة التعديل (أعلى) والكثافة المثال مصفوفة التعمير عن د = 3 (أسفل)- () تواتر الجيل الجانبية بالمغيّر الكهرضوئية كدالة للتردد Equation 80 ، مع الفرق بين الجانب متباعدة بتواتر إشارة تحوير، Equation 81 . FSR: مثال نطاق الطيفية مجاناً من جهاز رنان الدائري الصغير. (ب) الكثافة التجريبية تعمير المصفوفة أ د = 3 التردد-بن متشابكاً اثنين-فوتون الدولة (الحقيقي والتخيلي الأجزاء على اليسار واليمين، على التوالي). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

مجال التردد البصري، عن طريق قفكس، مفيد في تطبيقات الكم لمجموعة من الأسباب. العمليات العالمية، بالنيابة عن جميع الدول في وقت واحد، مما يؤدي إلى تصميم مقياس لا في حجمها أو تعقيدها كما يزيد من أبعاد الدولة. وتتعزز هذه المكونات يمكن أن تكون المعاد تشكيلها على ذبابة دون تغيير الإعداد وهي قادرة على أن على شريحة متكاملة باستغلال القائمة و/أو تطوير البنى التحتية لأشباه الموصلات والاتصالات السلكية واللاسلكية. يمكن أيضا اعتماد تقنيات الجيل للصغرى-تجاويف البصرية الأخرى – مثل الدرجة الثانية غير الخطية الدقيقة-تجاويف28، الأقراص الصغيرة-29، كريستال الضوئية وافيجويديس30،31، إلخ.

التقدم المحرز في نظام الإثارة سيمهد الطريق لمعدلات عالية الإنتاج، اللازمة لتجهيز طلبات الحصول على معلومات الكم. بينما يمكن زيادة معدل الإنتاج لدينا نظام الجيل بتأمين وضع ترددات متناسق أعلى، supermode الضوضاء يمكن أن يؤدي إلى عدم الاستقرار في هذه أعلى من معدلات الرسوب. ويمكن إنجاز قمع هذا الضجيج مع تقنيات مثل تجويف طول التحوير32،33،34من التعويض غير الخطية، وتقنيات التصفية35،36supermode عالية الجودة.

سيؤدي إلى إدخال تحسينات على النظام في أعلى معدلات إنتاج فوتون. وكانت الخسائر الإجمالية للجزء الخاص بعنصر التحكم 14.5 الديسيبل (dB 1 لتصفية الشق dB 4.5 لأول مرشح للبرمجة، 3.5 dB المغير المرحلة و dB 4.5 لعامل التصفية للبرمجة الثانية). يمكن أن تكون معدلات الإنتاج زيادة مرات عديدة من خلال تخفيضات قابلة للتحقيق في الخسائر – مع تحسن متاحة بسهولة من 5 dB بدمج العديد من عناصر التحكم المستخدمة في برنامج الإعداد في شريحة واحدة ضوئية المدمجة، وخسارة أقل.

سوف توفر مراقبة محسنة من التردد طريقة خلط من خلال أفضل المستهدفة من إنشاء الفرقة الجانب البوابات أكثر كفاءة وأعلى معدلات الإنتاج. كما نثر احتمال يعتمد على تحوير القيادة إشارة (نمط والتردد والسعة) ومواصفات المغير الكهرضوئية، هذه يجب أن تكون في مجال فعالية تتداخل أوضاع (توليد الأشرطة الجانبية) في خلط المطلوب ترددات – التي تتطلب سرعة إشارة RF (GHz) ومضخمات الجهد الدولة للفنون ومنخفضة Equation 11 المرحلة المغيرون.

مرشحات للبرمجة الحالية محدودة في النطاق الترددي الطيفية وحلها؛ المعدات المستخدمة في المظاهرات الأصلي قد عرض النطاق ترددي من 1527.4 شمال البحر الأبيض المتوسط إلى 1567.5 شمال البحر الأبيض المتوسط ودقة 12.5 جيجا هرتز. مع FSR الدائري الصغير 200 غيغاهرتز، عامل التصفية هذا للبرمجة يوفر الوصول إلى إشارة 10 و 10 ترددات متسكع. أبعاد هذه الدول الكم يمكن سهولة الوصول إلى قيم upwards Equation 82 (المقابلة لما يصل إلى 14 المكدسة) مع التقدم في تصفية للبرمجة عرض النطاق الترددي وحلها وتجويف بصري FSR — كل ذلك دون زيادة البصمة للإعداد .

مع منهاج قطر المبينة هنا، نبدي بتوليد ومراقبة الدول الكم المعقدة بطريقة المدمجة وإعادة التشكيل، و العملية . يبرز لدينا مخططات هي القدرة على توليد ارتفاع معدلات الفوتونات واحدة نقية والعملية العالمية في جميع الدول مع مكونات واحدة، يسمح التدرجية في شكل رقائق الضوئية ذات الإنتاج الضخم، منخفضة التكلفة، ومتكامل، والوصول إليه مكونات الاتصالات السلكية واللاسلكية. باستخدام هذه المنصة قطر، تبذل خطوات هامة نحو معالجة تكنولوجيات المعلومات الكم. الاتصالات الكم بأسعار عالية قابلة للتحقيق مع متعدد القنوات، مما يتيح تأمين المعلومات نقل أسعار فعالة جداً، بينما الحوسبة الكمومية عالية ثلاثي الأبعاد هو حقل النامي يمكن أن تساعد في التغلب على قيود على أساس كوبيت 37من العملية الحسابية.

Acknowledgments

ونحن نشكر هيلستين R. للرؤى الفنية؛ ص الكونغ من "فوترونيكس وفقا" للتعليمات ومعدات التجهيز؛ وكذلك كوانتوموبوس وبيرتوني نون من "مكونات الإلكترونيات الضوئية" على دعمهم وعلى تزويدنا فوتون الدولة من أحدث معدات الكشف. هذا العمل ممكناً بمصادر التمويل التالية: العلوم الطبيعية والهندسة بحوث المجلس من كندا (مقدمة) (ستيسي، الاستراتيجية، واكتشاف، وتسارع مخططات المنح، فانييه كندا منح الدراسات العليا، يسرا المنح الدراسية)؛ ميتكس (IT06530) وبب (207748)؛ ميسيتش PSR-سييري المبادرة؛ برنامج كرسي أبحاث كندا؛ مشاريع اكتشاف مجلس البحوث الأسترالية (DP150104327)؛ منح الاتحاد الأوروبي في أفق 2020 البحث والابتكار برنامج تحت ماري سكلودوفسكا كوري (656607)؛ برنامج تقيما سورينامي-Fd (7004189)؛ برنامج البحوث ذات الأولوية الاستراتيجية للأكاديمية الصينية للعلوم (XDB24030300)؛ برنامج الشعب (ماري كوري الإجراءات) برنامج FP7 للاتحاد الأوروبي في إطار المنحة ريا INCIPIT (بيوف-GA-2013-625466)؛ حكومة الاتحاد الروسي من خلال الزمالات الدراسية إيتمو وبرنامج الأستاذية (منحة 01 074-U)؛ 1000 برنامج المواهب سيتشوان (الصين)

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Superconducting Nanowire Single-Photon Detector System Quantum Opus Opus One
Electro-optic phase modulator EO-Space Low loss model
Programmable filter Finisar  WaveShaper 4000s
Timing electronics PicoQuant HydraHarp 400
Micro-ring resonator 200 GHz FSR micro-ring resonator made from high refractive index glass. See Ref. 24 for platform details.
Erbium-doped fiber amplifier Keopsys PEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA
Electro-optic amplitude modulator Oclaro  SD40
RF tone source Rohde & Schwarz SMP 04
RF tone amplifier RF-Lambda RFLUPA27G34GA
Function generator Tetronix AFG 3251
Isolator General Photonics NISO-S-15-SS-FC/APF
Oscilloscope Tetronix  TDS5052B
Photodiode Finisar XPDV 50 GHz
DWDM OptiWorks DWFUQUMD08BN
Power supply Madell CA18303D

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453, (7198), 1023-1030 (2008).
  2. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, (6816), 46-52 (2001).
  3. Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112, (10), 103604 (2014).
  4. Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464, (7285), 45-53 (2010).
  5. Schaeff, C., Polster, R., Lapkiewicz, R., Fickler, R., Ramelow, S., Zeilinger, A. Scalable fiber integrated source for higher-dimensional path-entangled photonic quNits. Optics Express. 20, (15), 16145 (2012).
  6. Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4, (2), 93 (2004).
  7. Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. (2017).
  8. Caspani, L., et al. Multifrequency sources of quantum correlated photon pairs on-chip: a path toward integrated Quantum Frequency Combs. Nanophotonics. 5, (2), 351-362 (2016).
  9. Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546, (7660), 622-626 (2017).
  10. Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82, (1), 1-7 (2010).
  11. Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91, (16), 1636021-1636024 (2003).
  12. Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22, (6), 6535-6546 (2014).
  13. Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236 (2015).
  14. Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2, (2), 88 (2015).
  15. Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351, (6278), 1176-1180 (2016).
  16. Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24, (25), 28731 (2016).
  17. Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62, (19), JTh5B.3 (2017).
  18. Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25, (16), 18940 (2017).
  19. Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6, (6), 1173-1185 (2000).
  20. Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
  21. Olislager, L., Woodhead, E., Phan Huy, K., Merolla, J. M., Emplit, P., Massar, S. Creating and manipulating entangled optical qubits in the frequency domain. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 89, (5), 1-8 (2014).
  22. Finisar WaveShaper Software. Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018).
  23. Capmany, J., Fernández-Pousa, C. R. Quantum model for electro-optical phase modulation. Journal of the Optical Society of America B. 27, (6), A119 (2010).
  24. Stocklin, F. Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. (1973).
  25. Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. Qudit quantum-state tomography. 1-6 (2002).
  26. Moss, D. J., Morandotti, R., Gaeta, A. L., Lipson, M. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature Photonics. 7, (8), 597-607 (2013).
  27. Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6, (11), e17100 (2017).
  28. Guo, X., Zou, C., Schuck, C., Jung, H., Cheng, R., Tang, H. X. Parametric down-conversion photon-pair source on a nanophotonic chip. Light: Science & Applications. 6, (5), e16249 (2016).
  29. Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23, (16), 20884 (2015).
  30. Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36, (17), 3413 (2011).
  31. Kumar, R., Ong, J. R., Savanier, M., Mookherjea, S. Controlling the spectrum of photons generated on a silicon nanophotonic chip. Nature communications. 5, 5489 (2014).
  32. Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28, (2), 182 (1992).
  33. Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29, (11), 979-981 (1993).
  34. Thoen, E. R., Grein, M. E., Koontz, E. M., Ippen, E. P., Haus, H. A., Kolodziejski, L. A. Stabilization of an active harmonically mode-locked fiber laser using two-photon absorption. Optics Letters. 25, (13), 948 (2000).
  35. Harvey, G. T., Mollenauer, L. F. Harmonically mode-locked fiber ring laser with an internal Fabry-Perot stabilizer for soliton transmission. Optics Letters. 18, (2), 107 (1993).
  36. Gee, S., Quinlan, F., Ozharar, S., Delfyett, P. J. Simultaneous optical comb frequency stabilization and super-mode noise suppression of harmonically mode-locked semiconductor ring laser using an intracavity etalon. IEEE Photonics Technology Letters. 17, (1), 199-201 (2005).
  37. Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119, (18), 1-6 (2017).
توليد ومراقبة متماسكة من الامشاط التردد النبضي الكم
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

MacLellan, B., Roztocki, P., Kues, M., Reimer, C., Romero Cortés, L., Zhang, Y., Sciara, S., Wetzel, B., Cino, A., Chu, S. T., Little, B. E., Moss, D. J., Caspani, L., Azaña, J., Morandotti, R. Generation and Coherent Control of Pulsed Quantum Frequency Combs. J. Vis. Exp. (136), e57517, doi:10.3791/57517 (2018).More

MacLellan, B., Roztocki, P., Kues, M., Reimer, C., Romero Cortés, L., Zhang, Y., Sciara, S., Wetzel, B., Cino, A., Chu, S. T., Little, B. E., Moss, D. J., Caspani, L., Azaña, J., Morandotti, R. Generation and Coherent Control of Pulsed Quantum Frequency Combs. J. Vis. Exp. (136), e57517, doi:10.3791/57517 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter