Waiting
Login processing...

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

Engineering

דור ושליטה קוהרנטי של הקוונטים פעמו תדירות מסרקים

Published: June 8, 2018 doi: 10.3791/57517
Automatic Translation
*1, *1, 1,2, 1, 1, 1, 1,3, 1,4, 3, 5, 6, 7, 8, 1, 1,9,10
1Institut National de la Recherche Scientifique - Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications (INRS-EMT), 2School of Engineering, University of Glasgow, 3Department of Energy, Information Engineering and Mathematical Models, University of Palermo, 4School of Mathematical and Physical Sciences, University of Sussex, 5Department of Physics and Material Science, City University of Hong Kong, 6State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Science, 7Centre for Micro Photonics, Swinburne University of Technology, 8Institute of Photonics, Department of Physics, University of Strathclyde, 9Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, 10National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
* These authors contributed equally

Summary

פרוטוקול מוצגים מעשי הדור ומניפולציה קוהרנטי של הברית פוטון בתדר גבוה-ממדי-bin מסובכת באמצעות מיקרו משולב-חללים ורכיבים תקשורת סטנדרטיים, בהתאמה.

Abstract

אנו מציגים שיטה דור ומניפולציה קוהרנטי של מסרקים תדירות פעמו קוונטית. עד עכשיו, שיטות הכנת הברית גבוה-ממדי על שבב באופן מעשי נשארו חמקמק בשל המורכבות הגוברת של המעגלים קוונטית צריך להכין, לעבד מצבים כאלה. פה, אנו מכינים כמה גבוה-ממדי, תדירות-bin מסובכת, שני הפוטונים הברית יכול להיווצר בקצב דור יציבה, גבוהה על-ידי שימוש של עירור מקונן-cavity, נעול במצב פעיל של מיקרו-חלל לא-ליניאריות. טכניקה זו משמשת כדי לייצר קוונטית פעמו תדירות מסרקים. יתר על כן, אנו מציגים כיצד הברית הקוונטי יכול להיות באופן עקבי ומאוחד תמרן באמצעות רכיבי תקשורת סטנדרטיים כגון אלקטרו-אופטיים מאפננים ומסננים ניתן לתיכנות. בפרט, אנו מראים בפירוט כיצד לבצע מדידות אפיון מצב כגון שחזור מטריצת צפיפות, איתור מקרים ונחישות ספקטרום פוטון יחיד. השיטות שהוצגו יוצרים בסיס נגיש, reconfigurable ו מדרגיים עבור פרוטוקולים מניפולציה והכנה המדינה גבוה-ממדי מורכבת בתחום התדר.

Introduction

השליטה של תופעות קוונטיות פותחת את האפשרות עבור יישומים חדשים בתחומים מגוונים כמו תקשורת מאובטחת קוונטית1, עיבוד2וקוונטית חישה3אינפורמציה קוונטית עוצמה. בעוד מגוון רחב של פלטפורמות פיזית הם פעיל להיות נחקר במשך מימושים של קוואנטום טכנולוגיות4, מצבים הקוונטים אופטי הם מועמדים חשוב כמוצג הם יכולים פעמים קוהרנטיות ארוך ויציבות מרעש חיצוני, מעולה העברת נכסים, כמו גם תאימות עם התקשורת הקיימת והטכנולוגיות שבב (CMOS) סיליקון.

לקראת מיצוי הפוטנציאל של הפוטונים לטכנולוגיות קוונטית, המורכבות המדינה ותוכן המידע ניתן להגדיל באמצעות מספר מפלגות סבוכה ו/או גבוהה-dimensionality. עם זאת, הדור על שבב של מדינות אלו אופטי חסרה המעשיות כמו setups מסובך, לא בצורה מושלמת מדרגיים, ו/או להשתמש ברכיבים הפערים מיוחדים. באופן ספציפי, נתיב גבוהה-ממדי-שזירה דורש Equation 01 מקורות זהים באופן עקבי ומאוחד-נלהב, מעגלים מורכבים של קרן-מפצלי5 (איפה Equation 01 הוא dimensionality המדינה), בעוד זמן-שזירה צריך מורכבים זרוע מרובה אינטרפרומטרים6. למרבה הפלא, התדר הוא מתאים היטב עבור הדור מדרגי ושליטה על מצבים מורכבים, כפי שמוצג על ידי ניצול האחרונים שלה קוונטית תדירות קומבס (QFC)7,8 באמצעות שילוב של אופטיקה משולבת, תשתיות טלקומוניקציה9, ומספק מסגרת מבטיח לטכנולוגיות מידע קוונטי.

על שבב QFCs נוצרים באמצעות אפקטים אופטית לא-ליניאריות משולב מיקרו-סתימות. שימוש כזה לא לינארית מיקרו-מהוד, שני פוטונים סבוכה (ציין אות ו לדנוור) המיוצרים על ידי ספונטנית ארבעה גלים ערבוב, דרך השמדתה של שני פוטונים עירור - עם הזוג הנובעת המופקים צירוף לינארי של חלל מצבי המפוזרות לתדר המתאים (איור 1). אם יש קוהרנטיות בין המצבים תדירות בודדים, מדינה תדר-bin מסובכת הוא בנוי10, אשר הוא המכונה לעתים קרובות המדינה במצב נעול פוטון שני11. הגל-פונקציה זו המדינה יכולה להיות מתוארת על ידי,

Equation 02

כאן, Equation 03 , Equation 04 לדנוור יחיד-תדר-מצב, אות רכיבים, בהתאמה, ו Equation 05 הוא משרעת ההסתברות עבור Equation 06 זוג במצב אות-לדנוור - th.

הפגנות קודמות של QFCs על שבב לסמן צדדיות שלהם כמו פלטפורמות מידע קוונטי קיימא, והם כוללים מסרקים של פוטונים מתואם12, פוטונים מקוטב-קרוס13,14,פוטונים סבוכה15 , 16, פוטון רב מדינות15, תדירות-bin מסובכת הברית9,17. כאן, אנו מספקים סקירה מפורטת של פלטפורמת QFC, עבור תדירות גבוהה-ממדי-bin פרוטוקול מסובכת דור המדינה אופטי ושליטה.

יישומים קוונטי, במיוחד אלה כדי להיות לממשק עם אלקטרוניקה במהירות גבוהה (לעיבוד מידע עדכני), דורשים הדור ברמה גבוהה של טוהר גבוהה פוטון הברית בהגדרת קומפקטי ויציב. אנו משתמשים מזימת חלל פעיל במצב נעול, מקוננת כדי לייצר QFCs בתוך תקשורת להקות תדירות S, C, ו- L. טבעת מיקרו הוא שולב גדול פעמו לייזר חור, עם רווח אופטי (המסופקים על ידי מגבר ארביום-מסטול סיבים, EDFA) מסוננים כדי להתאים את רוחב הפס של מיקרו-טבעת עירור18. נעילת מצב פעיל ממומש באמצעות אלקטרו-אופטיים אפנון של הפסדים חלל19. Isolator מבטיח כי הפצת הדופק עוקב אחר בכיוון אחד. הרכבת הדופק וכתוצאה מכך יש רעש נמוכה שורש ממוצע הריבועים (RMS) ותערוכות שיעורי החזרות tunable וכוחות דופק. מסנן חריץ בידוד גבוהה מפרידה את הפוטונים הנפלטים QFC מן השדה עירור. פוטונים בודדים אלה ואז מודרכים דרך סיבי עבור זיהוי ובקרה.

ערכת שלנו הוא צעד לקראת הדור-שיעור גבוה, קטן-טביעת QFC מקור, כמו כל הרכיבים המשמשים פוטנציאל ניתן לשלב על גבי שבב פוטוני. בנוסף, עירור פעמו היא במיוחד מתאים היטב עבור יישומים קוונטית. ראשית, מסתכל על זוג של מיקרו-cavity מגנטיים סימטרי עירור, שהיא מייצרת שני הפוטונים הברית שבו כל פוטון מאופיינת בתדר יחיד במצב – מרכזי עבור ליניארי קוואנט אופטי מחשוב20. כמו כן, ניתן להפיק פוטון מרובה הברית על-ידי הזזת משטרים עירור גבוה יותר של כוח ובחירה אות-לדנוור זוגות מספר15. שנית, כפי פוטונים נפלטים בחלונות זמן ידוע המתאימים עירור פעמו, עיבוד דפוס של gating ניתן ליישם כדי לשפר את מצב איתור. אולי והכי משמעותי, ערכת שלנו תומך דור גבוהה המחירים של פוטון הברית באמצעות נעילת מצב הרמוני מבלי להפחית את היחס מקרים-כדי-בטעות (מכונית) – אשר יכול לסלול את הדרך עבור אינפורמציה קוונטית במהירות גבוהה, מרובה ערוצים טכנולוגיות.

כדי להדגים את ההשפעה ואת הכדאיות של התדר, השליטה QFC הברית חייב להתבצע בדרכים יישוב, שינויי צורה יעילה במיוחד של המדינה קוהרנטיות. כדי לספק את דרישות כאלה, אנו משתמשים שלב מאפננים – הוקמה רכיבים לתעשיית הטלקומוניקציה ומסננים לתכנות מדורגים. מסננים לתכנות יכול לשמש כדי לכפות משרעת ספקטרלי שרירותי ומסיכת שלב על פוטונים בודדים, עם רזולוציה מספיק לטפל בכל מצב תדר בנפרד; שלב אלקטרו-אופטיים מאפננים מונע על ידי תדרי רדיו (RF) האות גנרטורים להקל על ערבוב של רכיבי התדר21.

ההיבט החשוב ביותר של ערכת שליטה זו היא כי הוא פועל על כל המצבים קוונטי פוטונים בו-זמנית במצב יחיד המרחבי, באמצעות רכיבי בקרה בודדת. הגדלת dimensionality את מצב קוונטי לא תוביל לעלייה מורכבות ההתקנה, בניגוד ערכות שזירה נתיב או זמן-תאים. כמו כן, שכל הרכיבים פועלים באופן חיצוני reconfigurable (כלומר ניתן לשנות את הפעולות ללא המתקנת את ההתקנה) ושימוש בתשתית התקשורת הקיימת. לפיכך, קיימים ועתידיים בהתפתחויות בתחום של עיבוד אופטי מרביים ניתן ישירות להעביר לשליטת המדרגי מצבים הקוונטים בעתיד.

לסיכום, ניצול התדר על-ידי QFCs הדור ברמה גבוהה של מצבים הקוונטים מורכבים ושליטה שלהם, ותומכת, ולכן הוא מתאים היטב רתימת של מצבים מורכבים כלפי מעשי ומדרגי קוונטית טכנולוגיות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. דור של סל-התדר גבוה-ממדי מסובכת הברית באמצעות עירור פעמו

  1. בעקבות ערכת שמתואר באיור 2 (שלב הדור), לחבר כל רכיב באמצעות שמירה על קיטוב סיבים אופטיים (עבור שיפור יציבות סביבתית).
  2. להתחבר ספק כוח אפנן אלקטרו-אופטיים משרעת ולהחיל את ההיסט מתח DC, כוונון ערך ההיסט עד הכוח האופטי מועברים באמצעות זה הוא כ חצוי (נמדד בעזרת מד הכוח האופטי של), למשל., כך לשיא שידור ערך של 2 mW הוא חצוי ל 1 מגה-וואט.
  3. למדוד את אורך משוער חלל חיצוני. חישוב המרווח מצב חלל חיצוני באמצעות היחס,
    Equation 07
    איפה Equation 08 היא מצב חיצוני חלל מרווח, c היא מהירות האור בואקום, Equation 09 הוא מדד יעיל של המדיום חלל ו- L הוא אורך חלל חיצוני. לדוגמה, עבור חור 20 מ' המורכב סיבים עם אינדקס השבירה יעיל של 1.46, המרווח מצב חלל המשוער יהיה 10.2 מגה-הרץ.
  4. הפעל את EDFA ליזום lasing.
  5. הכנס את פוטודיודה מהר הכיוונון מחבר חלל או יציאות אחרות טבעת. לחבר את האות פוטודיודה אוסצילוסקופ להתבונן העוצמה של השדה עירור בתחום-הזמן.
  6. הגדירו את הפרדת זמן אוסצילוסקופ < 100 ps (באמצעות הידית סולם אופקי) כדי לפתור את פולסים ns-סולם. בשלב זה, מבלי אפנן מופעל, הפלט על אוסצילוסקופ יראה דופק לא יציב מבצע באיכות נמוכה, רעש גבוהה הדופק הרכבת.
  7. להתחבר מחולל אותות אפנן משרעת אלקטרו-אופטיים. להגדיר את התדירות של הפלט הפונקציה מחולל את המרווח מצב חלל חיצוני (משוער) נמצא מעל (או הרמוני של זה). האות הזה מבצעת את מצב הנעילה. בחר את הדופק waveform (מלבני) או גל סינוס עבור אפנון משרעת. הפעל את מחולל.
  8. מנגינה RF בפונקציית מחולל תדר של DC לקזז כדי למטב ולייצב את הצורה הרכבת דופק אוסצילוסקופ. אם אות נהיגה פעמו משמש, למטב את המחזור.
  9. כוונן באופן ידני את רווח EDFA להפחית (או להגדיל) עוצמת הדופק למשטר איפה המאפיינים של חלקיקי שנוצר האור לפי הצורך על-ידי המשתמש (המכונית היא מדד שימושי של כאן - לפרטים על המידה שלה). בשביל זה, להשוות את היסטוגרמות מקרים בהתאמה שנוצר על ידי הממשק החזותי שמגיע עם האלקטרוניקה תזמון.
  10. להאכיל בערוץ תזמון הסינכרון אלקטרוניקה עם האות הרכבת הדופק (שזיהה את פוטודיודה) או האות נעילת מצב RF כדי לסנכרן את גלאי פוטון יחיד עם הדור של זוג הפוטונים.
  11. כדי להגביר את קצב הדור של QFCs, לנהוג את נעילת מצב אפנן הרמוניות גבוהות יותר של המרווח תדירות חלל חיצוני בזמן בו זמנית משלים את רווח EDFA על מנת להבטיח את אותו הכוח לפי הדופק – מחזק את הפוטון זוג בזמן להגביר את קצב יצירת זוג (איור 3). בשביל זה, להגדיל מחולל אותות הפלט תדירות ורווח EDFA בהתאמה.

2. שליטה של סל-התדר גבוה-ממדי מסובכת הברית

  1. בעקבות ערכת שמתואר באיור 2 (שלב הבקרה), לחבר כל הרכיבים באמצעות שמירה על קיטוב סיבים. החל מ למסנן חריץ של ערכת הדור, לחבר סדרת הראשון ניתן לתכנות, שלב אפנן ומסנן המסנן השני ניתן לתיכנות. בסופו של דבר לחבר את גלאי פוטון יחיד למטרות מדידה.
  2. המסנן לתכנות
    הערה: בהתאם ספציפי ליישום/המדידה המבוצעת, בקרת פרמטרים של QFC ישתנו, שלב ומסיכות משרעת חלה על המצבים תדירות להיקבע בהתאם. המסכה משרעת יכול לשמש כדי להחליש או לחסום את מצבי תדר מסוים, המסכה שלב להקנות את משמרת שלב שרירותי על כל מצב.
    1. לקבוע את המסכות הכרחי עבור היישום/המידה הרצויה.
    2. דרך הממשק הויזואלי ' מסנן לתכנות '22, להגדיר את משרעת של ערוצי מצב התדירות הרצויה, להחליש את כל השאר.
    3. באופן דומה, למרוח את המסכה שלב (שלב חלה על הערוצים רצויה אינו חשוב, כפי שהם נמצאים באופן מלא הקלוש). לשלוט במסנן לתכנות עם ממשק ויזואלי שבו נבחרו התדרים הרצוי.
  3. אפנון פאזה מבצע
    1. באמצעות אפנון פאזה, מונע על ידי אות תקופתיים, לפצל כל רכיב ספקטרלי לצד להקות במרחקים לפי התדירות של מחולל אותות המניע את אפנן שלב. השתמש באפשרות זו כדי לערבב מספר קוונטי אחר תדירות מצבי, מקבילה עם קרן מרחבית-מפצלי במזימות נתיב-שזירה. הקוונטי, נחשב אלקטרו-אופטיים אפנון פאזה קוונטית של פיזור פעולת23.
    2. לקבוע את יעד תדירות מצבי (תלוי Equation 01 , המדידה/עיבוד המבוצעת) ולחשב את התבנית מתח (תדירות ו משרעת עבור גנרטור גל סינוס) כדי למטב את הרצוי Equation 10 ערכים (ראה להלן הנחיות קצת פרטים על זה).
    3. לחבר את מחולל אותות המגבר RF באמצעות כבלים נמוך-הפסד (כמו כבלים SMC). חבר את פלט מגבר RF אפנן שלב, גם באמצעות כבלי RF נאותה. לאחר שכל הקצוות RF מחוברים כראוי הסתיים, הטיה המגבר RF.
    4. ודא כי המגבר RF יש מספיק כוח פלט להסיע את אפנן שלב אלקטרו-אופטיים עם מתח מספיק לפגוש את התנאים הרצויים ערבוב — אלו יתבסס כמה Equation 11 (המתח חצי-גל של שלב אפנן). כמו כן, ודא מחברים וכבלים RF נאותה עבור טווח רוחב פס והתדירות של האות נהיגה.
    5. הגדר את מחולל אותות RF (שהוא נוהג את שלב אפנן) בתדר אשר יחפוף את מצבי הרצוי עם הלהקות-הלוואי שנוצר (למשל., 33 ג'יגה-הרץ).
    6. הפעל את מחולל אותות לערבב את מצבי תדר.
    7. כדי לוודא אפנון הנכון מוחל, לשלוח לייזר מכ דרך אפנן שלב ולבדוק את הספקטרום פלט מקביל אפנון המיועד באמצעות של מנתח ספקטרום אופטי (הפרמטרים אפנון יכול להיות עוד יותר אופטימיזציה, עיין בהערות).
      הערה: אופטימיזציה של שילוב בין תדירות מצבי (קביעת תדירות תפקוד אופטימלי של משרעת) תלויה מאוד ערכת ערבוב הרצוי, ניסויים המבוצעת, המדינה dimensionality Equation 01 . במידת האפשר, הערכות ערבוב צריך לערבב מצבי קרוב מצב ראשוני תדר (תמורת שלמים נמוך sidebands) כדי להגביר את היעילות ערבוב. לדוגמה, אם Equation 12 , ערבוב, מומלץ להשתמש להתרחש באמצע הדרך בין תדירות שני המצבים (לכן, אפנון פאזה צריך להיות מונע בתדר שבו יש שלם מרובות שווה חצי התדר מצב קוונטי ריווח, או חינם טווח הספקטרום (FSR)). עם זאת, עבור Equation 13 , ערבוב, מומלץ להשתמש להתרחש במצב תדירות מרכז (שלב אפנון צריך להיות מונע בתדר עם שלם שווה מרובים FSR). לדוגמה, עם Equation 13 , מיקרו-cavity Equation 14 ג'יגה-הרץ, אפנון פאזה נהיגה אות מוגדר 33.33 GHz כזה Equation 15 sideband חופף מצבי תדירות שכנות - ומשאיר בעוצמה מספקת גם במרכז מצב תדר. התוצאה היא החופף של sidebands השכנה מצבי Equation 16 , Equation 17 , Equation 18 בכל מצב תדירות מרכז Equation 17 . איור 4a מדמיין דוגמה לתהליך האפנון מקדמי sideband. כל מצב תדר עובר את שלב באפנון יוצר מאותה התפלגות sideband, אך ממורכז על מצב התדר המקורי (איור 4a). עבור מצב תדר יחיד, amplitudes sideband מחושבים המקדמים של טור פורייה24,
      Equation 19
      איפה Equation 10 משרעת יועבר Equation 20 -th sideband, Equation 21 התדר המונע אפנן שלב ב, Equation 22 הוא דפוס אפנון פאזה (תקופתיות בתדירות Equation 21 ), ו- Equation 23 הוא הארגומנט של הפונקציה אפנון תקופתי (Equation 24). עבור אות נהיגה sinusoidal, Equation 25 , amplitudes הצד-band מתוארים על ידי הרחבת יעקבי-כעס,
      Equation 26
      Equation 27
      איפה Equation 28 הוא Equation 20 - פונקציית Bessel מהסדר מהסוג הראשון להעריך Equation 29 , Equation 30 היא משמרת שלב המרבי (איפה Equation 31 הוא משרעת המתח של האות נהיגה יחיד-tone).

3. עיבוד של סל-התדר גבוה-ממדי מסובכת הברית

  1. פוטון יחיד ספקטרום
    1. הכנס גלאי פוטון יחיד לאחר הסינון של השדה עירור של QFC, על הפלט של מסנן ניתן לתיכנות.
    2. באמצעות מסנן ניתן לתיכנות המחשב התוכנה, בהטיה הפס מסנן לתכנות מלא באמצעות bandpass צר משרעת מסיכת מסנן, מדידה הפוטון ספירת המחירים כפונקציה של תדירות. לדוגמה, אם תמונה ממשק/בקרה script ב- MATLAB משמש (כי הוא לממשק עם תזמון אלקטרוניקה ובקרה לתכנות מסנן), הזן את ערכי רוחב פס של המסנן הרצוי, צעד מספר ולחץ על "הפעל". ודא נחשב מספיק זמן אינטגרציה לקחת הפוטון המתאים.
    3. כדי לשחזר את הספקטרום של נתונים אלה, מגרש (לדוגמה, באמצעות סקריפט Matlab) שיעור ספירת פוטון נגד הגל המתאים (bandpass לסנן מרכז) שבו הם נרכשו.
  2. מקרים מדידה
    1. כדי לבצע מדידה מקרים, לפצל, לנתב את האות ופוטונים תמך כדי להפריד בין גלאי פוטון יחיד. אם המסנן לתיכנות יש יציאות מרובות, להשתמש בו כדי לבצע את ההפרדה. אחרת, להוסיף צפופה באורך הגל חטיבה מרבב ((dwdm)) לפני גלאי פוטון יחיד, השתמש באפשרות זו כדי לנתב את הפוטונים.
    2. בחר אות תמך זוג (לדוגמה, קווים תהודה השני תדירות עירור, אות-2, לדנוור-2) את לתכנות לסנן (דרך הממשק שסופקו תוכנה) ושימוש לנתב אותם שני גלאים פוטון יחיד נפרדות. לדוגמה, עבור התוכנה WaveManager, לחץ על תפריט המשנה Flexgrid, לחץ על "הוסף", והזן הנמל גל והפלט עבור שבחרת בערוץ22.
    3. להקליט את זמן ההגעה של האות, תמך פוטונים באמצעות ממיר הזמן לדיגיטלי. מ מדידות אלה, לחשב משך ההשהיה בין שני והפוטונים. מגרש היסטוגרמה (לדוגמה, באמצעות סקריפט Matlab) של מקרים נחשב השהיית זמן Equation 32 בין האות לבין לדנוור — זה מספק מדידה מקרים.
      הערה: מדד רכב משווה את המספר של ספירת מקרים נכון מזוגות פוטון שנוצר עם הסעיפים מקרים מקרית הנובעת פוטון מרובי תהליכים וספירות כהה.
    4. מן המדידה מחושבות לעיל, להקליט מספר ספירות הפסגה מרכז (צירופי מקרים הנובעים פוטונים מיוצר באותו הדופק, סביב העיכוב אפס, Equation 33 ) — זה הערך מקרים.
    5. להקליט את המספר הממוצע של ספירת כל צד-שיא (צירופי מקרים של הפוטונים מיוצר פולסים שונים, איפה Equation 32 הוא כפולה של הדופק הרכבת התקופה, כלומר., ההופכי של החזרה. הדופק), אשר הוא הערך בשוגג.
      הערה: המכונית היא פשוט היחס בין שני ערכים אלה (ערך ערך/בטעות מקרים).
  3. שחזור מטריצת צפיפות
    שים לב: תהליך שיקום מטריצת צפיפות תלויה במספר פרמטרים של המדינה קוונטית:-ממדיות של חלקיקי האור, מספר פוטונים, אילו מצבים נמדדים. מספר המדידות raw הנדרש שווה ל-Equation 34, איפהEquation 01יש dimensionality,Equation 35הוא המספר של פוטונים. כך, לדוגמה, זוג שני הפוטונים עם-ממדיות שלEquation 13ידרוש מדידות 81. פרוטוקול זה מתאר את תהליך כללי עבור שיקום מטריצת צפיפות, עם דוגמאות בשביל זוגEquation 13תדירות מצב פוטונים.
    1. לקבוע קבוצת וקטורים בסיס עבור המדינה הרצויה, קבוצת וקטורים הקרנה (ראה להלן לקבלת פרטים לגבי אופן בהתאם לבחור אלו).
    2. עם מידה מקרים, השתמש במסנן לתכנות או אות מסלול (dwdm), פוטונים תמך כדי להפריד גלאי פוטון יחיד.
    3. באמצעות הפקד תוכנת סינון לתכנות, בחר את מצבי התדירות הרצויה ולאחר להחליש את כל השאר. הגדר השלב ערכי מסיכת כדי להבין כל wavevector הקרנה בנפרד ולהקליט מדידה מקרים. חשוב לאפשר באותו הזמן אינטגרציה בין ספירת מקרים הקרנה שונות.
    4. שימוש ב- script מותאמים אישית במחשב, לחשב את הצפיפות של חלקיקי האור באמצעות המדידות ספירת מקרים raw של כל הקרנה wavevector (ראה להלן לפרטים הרלוונטיים חישובית).
      הערה: בעת קביעת בסיס וקטורים עבור המידה מטריצת צפיפות, הם חייבים להקיף את שטח המדינה. עבור המקרה לדוגמה, הם הווקטורים בסיס
      Equation 36
      למען מדינה Equation 37 , הצפיפות מתארת את מצב קוונטי.
      Equation 38
      הצפיפות עבור כל מערכת ממשית חייב להיות מטריצה חיובית-מובהק, Hermitian - אך בשל רעש, אולי זה לא תמיד להיות המקרה. במקרה דוגמה עם הבסיס שבחרת, wavevector של המדינה האידיאלית מקסימאלית מסובכת בתדירות יכול להיות מיוצג כ
      Equation 39
      לכן, הצפיפות התיאורטי יהיה:
      Equation 40
      הקרנה המידות נלקחות על סדרה של הקרנה wavevectors, Equation 41 . ספירת מקרים כל השלכה מקבלים כ,
      Equation 42
      איפה Equation 43 הוא קבוע (ראה להלן הנחיות הגדרה).
    5. לבחור ערכה אורתוגונלית של Equation 44 , מנורמל מטריצות, Equation 45 , כך
      Equation 46
      איפה Equation 47 זכר, Equation 01 את ממד, Equation 35 הוא המספר של פוטונים, ו Equation 48 היא פונקציית הדלתא של קרונקר. מטריצות אלה נבנה את מועדו יוניטרית מיוחד (Equation 01) גנרטורים (אשר יש Equation 49 ), יחד עם מטריצת הזהות, דרך כל האפשר טנזור המוצר שילובים25. ראה להלן מטריצות אורתוגונלית של המקרה לדוגמה.
    6. לשחזר את הצפיפות, Equation 50 , דרך הקשרים הבאים,
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      איפה Equation 55 הוא הפוטון נחשב Equation 56 -th היטל וקטור, Equation 57 הם הווקטורים הקרנה (ראה שלב הבא), איפה Equation 58 , Equation 59 מחושבים לפי הגדרת המשוואה.
      הערה: יש הקרנה wavevectors עבור המקרה לדוגמה,
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      השפעול, wavevectors האלה הם הבינו במסירת משמרת השלב המתאים על כל מצב באמצעות המסנן לתכנות. עיין הפרסום הקודם25 לדיון על הקרנה וקטורים. קבוצת אורתוגונלית מטריצות, Equation 69 למשל מקרה נבחרו לראשונה להשתמש. בגנרטורים SU(3) יחד עם מטריצת הזהות,
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      מחושבים,
      Equation 79
    7. לדיון מעמיק יותר של המדינה גבוה-ממדי שחזור, מתייחסים התייחסות 25 25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ערכת מחולקת לרמות הדור ובקרה של הברית בתדירות גבוהה-ממדי-bin (בהתאם את עירור של לא-ליניאריות מיקרו-חללים, איור 1) מוצגת באיור2. תוכנית התקנה זו משתמשת ברכיבי תקשורת סטנדרטיים, והוא גמיש במיוחד את קצב הייצור של פוטון, פעולות עיבוד שהוחלו. איור 3 מראה אפיון ערכת דור דרך מקרים קצב המכונית כמו פונקציה של קצב החזרה, הוכחת כי ניתן להגדיל את הייצור של פוטון זוגות מבלי להקטין את המכונית. במקטע ' בקרה ', שלב מאפננים (איור 4A) ומסננים לתכנות מאפשרים שליטה קוהרנטיים wavefunctions פוטון. תכנית כזו שליטה משמש לביצוע טומוגרפיה מצב קוונטי של Equation 13 , שני הפוטונים המערכת כדי לשחזר את הצפיפות המדינה, כפי שמוצג באיור 4B. התוצאות מדגימים מעולה הסכם בין המדינות מקסימאלית סבוכה הסלסולים, עם הנאמנות מושגת 80.9%.

Figure 1
איור 1: הקוונטים פעמו תדירות מסרק הדור. שדה פעמו מרגש יחיד לא לינארית מיקרו-חלל תהודה (ירוק). ערבוב של ארבעה גלים ספונטנית שמתווכת השמדתה של שני פוטונים עירור הספקטרלי-מצב ודור שני פוטונים הבת, בשם האות ו לדנוור (אדום וכחול), spectrally סימטרי עירור. הזוג פוטון הוא גם ב סופרפוזיציה של מצבי תדירות שהוגדרו על-ידי מגנטיים, כזה eigenbasis שהוגדרו על-ידי המדינה המילטוניאן, פונקציית גל מיוצג על-ידי סכום מנורמל עצמי במצב תדירות סימטרית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: פלטפורמה עבור מצב קוונטי גבוהה-ממדי מעשי הדור ושליטה. 26,מיקרו-טבעת מהוד27 מוטבע בתוך חלל גדול יותר, חיצוני. חלל חיצוני זה כוללת אפנן משרעת אלקטרו-אופטיים פעיל מונע על ידי מחולל אותות מרכיב רווח אופטי, מסנן הלהקה מעברים צרים, עם הלה המגבילה את הדופק עירור מחזורי מעבר-ללהקה המתאים יחיד מיקרו-חלל תהודה. קוונטית תדירות מסרקים שנוצר באמצעות ערכה זו (איור 1) מסוננים מהשדה עירור, להעביר הבמה שליטה באמצעות מסנן חריץ. כאן, ניתן להשתמש שרשור של שלב אלקטרו-אופטיים מאפננים (מונע על ידי אות מוגבר מחולל אותות RF) ומסננים לתכנות מניפולציות המדינה. בשלב עיבוד, לדנוור ואת האות פוטונים מנותבות כדי להפריד בין גלאי פוטון בודד באמצעות (dwdm) ולאחר העיכוב נמדד באמצעות תזמון אלקטרוניקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: מקרים נמדד קצב (למעלה) ואת יחס מקרים-כדי-בטעות (מכונית) (למטה) עבור זוגות פוטון התואם האות-2 ותדירות לדנוור-2 מצבי כפונקציה של הגדלת קצב החזרה עבור במקרים במצב נעול פעמו עירור. כמו דופק הצורה ואת מרב הכוחות היו המתוחזקת עבור שיעורי החזרות שונות, שיעור מקרים נמצאה לגדול באופן ליניארי תוך המכונית ברובו נשתמר. הקטנת קלה לרכב וירידה ליניארי לא מושלם שלה היא imputable סטיות קטנות מכוחו עירור יישוב. קווי השגיאה תואמות סטיית התקן מחושבת עבור חמש מדידות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: הדור של sidebands באמצעות אפנון פאזה אלקטרו-אופטיים (למעלה), לדוגמה צפיפות מטריקס שחזורי D = 3 (למטה). () תדר sideband דור על ידי אפנן אלקטרו-אופטיים כפונקציה של התדירות Equation 80 , עם הצד-להקות במרווחים קבועים על ידי התדר של האות modulating, Equation 81 . FSR: דוגמה בחינם טווח הספקטרום של מהוד מיקרו-טבעת. (b) שחזור מטריצת צפיפות ניסיוני של a D = 3 המדינה שני הפוטונים תדר-bin מסובכת (כמקדמים אמיתי חלקים על שמאלה וימינה, בהתאמה). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

התחום התדירות אופטי, דרך QFCs, יש יתרון ביישומים קוונטי עבור שורה של סיבות. פעולות הן כלליות, משחק על כל מדינות בו זמנית, אשר התוצאות לעיצוב אינה סקיילבילית גודל או מורכבות כמו עליות dimensionality המדינה. זה מוגברת כמו הרכיבים יכול להיות מחדש ב- the-fly מבלי לשנות את ההגדרה הם מסוגל להיות משולב על שבב על ידי ניצול הקיימים ו/או פיתוח תשתיות המוליכים למחצה, התקשורת. גם יכול להיות מאומץ הטכניקות דור עבור מיקרו-חללים אופטיים אחרים — כגון מיקרו לא-לינאריות מסדר שני-חללים28, מיקרו-דיסקים29,30,waveguides גביש פוטוני31, וכו '.

מקדמות לפי שיטת עירור יסלול את הדרך עבור קצב ייצור גבוהה, הכרחי עבור עיבוד יישומים אינפורמציה קוונטית. בעוד קצב הייצור של ערכת הדור שלנו יכול להיות מוגברת על ידי נעילת מצב בתדרים גבוהים יותר הרמונית, supermode רעש יכול להוביל instabilities במחירים האלה-החזרה גבוה יותר. דיכוי הרעש יכול להתבצע עם טכניקות כגון חלל אורך אפנון32,33, הפיצוי לא לינארית3435,טכניקות סינון גבוהה-עידון supermode36.

שיפורים במערכת יגרום גבוהה יותר קצב ייצור פוטון. כלל התביעות החזויות עבור חלק שליטה היה 14.5 dB (dB 1 עבור המסנן דרגה 4.5 dB עבור המסנן לתכנות הראשון, 3.5 dB עבור אפנן שלב, 4.5 dB עבור המסנן השני לתכנות). קצב ייצור יכול להיות מוגבר רבים קיפול דרך מימוש הפחתות הפסדים – עם שיפור זמינים של 5 dB על-ידי שילוב רבים של רכיבי בקרה המשמשים את ההתקנה לתוך שבב אופטי קומפקטי, התחתונה-הפסד יחיד.

שליטה משופרת של התדר-מצב ערבוב דרך כדאי יישוב הבריאה צד-band יספק השערים יעיל יותר, גבוה יותר קצב ייצור. כמו פיזור ההסתברות תלוי אפנון נהיגה אות (דפוס, תדר ו משרעת) מפרט אפנן אלקטרו-אופטיים, אלה חייבים להיות בתחום לחפיפת ביעילות מצבי (צור, להקות בצד)-ערבוב הרצוי תדרים — הדורשים מהירויות שידור RF (GHz), המדינה-of-the-art מתח מגברים ונמוך Equation 11 שלב מאפננים.

מסננים לתכנות הנוכחי הינם מוגבלים באזור ספקטרלי רוחב פס גדול ורזולוציית; הציוד המשמש את ההפגנות המקורי היה ברוחב הפס של 1527.4 nm 1567.5 ננומטר, רזולוציה של 12.5 ג'יגה-הרץ. FSR מיקרו-טבעת של 200 ג'יגה-הרץ, מסנן לתכנות זה מספק גישה אות 10 10 תדרים תמך. -ממדיות של אלה מצבים הקוונטים יכול בקלות להגיע הערכים upwards של Equation 82 (תואם ל- qubits עד 14) עם ההתקדמות מסנן לתכנות רוחב פס/רזולוציה ו מהוד אופטי FSR — הכל מבלי להגדיל את טביעת הרגל של ההתקנה .

עם פלטפורמת QFC המתוארים כאן, נדגים את הדור ובקרה של מצבים מורכבים הקוונטים בצורה קומפקטית, reconfigurable, ולא מעשית . גולות הכותרת של ערכות שלנו הן יכולת גבוהה הדור המחירים של פוטונים יחיד טהור ותפעול גלובלי על כל המדינות עם רכיבים יחיד, ומאפשר מדרגיות מסוג בדמות של שבבי פוטוני בייצור המוני, בעלות נמוכה, משולב ונגיש רכיבי טלקומוניקציה. באמצעות פלטפורמה זו QFC, צעדים משמעותיים נעשים כלפי טכנולוגיות עיבוד אינפורמציה קוונטית. תקשורת קוונטית במחירים גבוהים היא מימוש עם ערוצי מרובבת, המאפשר מידע מאובטח העברה במחירים מאוד יעיל, תוך חישוב קוונטי גבוהה-ממדי הוא תחום המתפתח יכול לעזור להתגבר על המגבלות של מבוססי קיוביט חישוב37.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

אנו מודים Helsten ר על תובנות טכני; פ קונג מ QPS Photronics על העזרה ועל עיבוד ציוד; כמו גם QuantumOpus, ש Bertone של רכיבים אלקטרואופטיקה על תמיכתם ועל מתן אותנו עם המדינה-of-the-art פוטון איתור ציוד. עבודה זו התאפשרה על ידי מקורות המימון הבאים: מדעי הטבע, הנדסה מחקר המועצה של קנדה (NSERC) (Steacie, אסטרטגי, גילוי, וערכות האצת מענקים, מלגות לתואר שני של קנדה וניהר, מלגת USRA); Mitacs (IT06530), PBEEE (207748); יוזמה של PSR-SIIRI MESI; קנדה תכנית המחקר הכסא; מחקר אוסטרלי גילוי המועצה פרויקטים (DP150104327); המחקר של האיחוד האירופי אופק 2020 ותוכנית חדשנות תחת מארי Sklodowska-קירי הענק (656607); תוכנית CityU SRG-Fd (7004189); עדיפות אסטרטגית תוכנית מחקר של האקדמיה הסינית למדעים (XDB24030300); תוכנית אנשים (מארי קירי פעולות) של האיחוד האירופי תוכנית האיחוד FP7 תחת ריאה גרנט הסכם INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); ממשלת הפדרציה הרוסית דרך מלגת ITMO פרופסורה התוכנית (גרנט 074-U 01); 1000 כשרונות סצ'ואן התוכנית (סין)

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).

Tags

הנדסה גיליון 136 אופטיקה קוונטית משולב התקנים פוטוניים נעול במצב לייזרים אופטיקה לא לינארית ערבוב של ארבעה גלים תדירות מסרקים הברית גבוה-ממדי
דור ושליטה קוהרנטי של הקוונטים פעמו תדירות מסרקים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

MacLellan, B., Roztocki, P., Kues,… 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