Waiting
Login processing...

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

Engineering

Поколение и согласованного контроля импульсных квантовой частоты Комбс

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

Протокол представлен практический поколения и последовательной обработки высокой мерных частоты bin запутанные Фотон государств с использованием интегрированных микро полостей и стандартные телекоммуникационные компоненты, соответственно.

Abstract

Мы представляем метод для поколения и последовательной обработки импульсных квантовой частоты Комбс. До сих пор методы подготовки высокой мерного государств на чипе практическим образом остается недостижимой из-за растущей сложности квантовых схем, необходимых для подготовки и обработки таких государств. Здесь, мы приводим как высокий мерных, частота bin запутанные, два Фотон государства могут быть собраны в поколение стабильной, высокая скорость с помощью вложенных полости, активно к морю режим возбуждения нелинейного микро-полости. Этот метод используется для производства импульсных квантовой частоты Расчески. Кроме того мы представляем как квантовых состояний может быть последовательно манипулировать, используя стандартные телекоммуникационные компоненты, такие как Программируемые фильтры и электро оптические модуляторы. В частности мы покажем в деталях, как для выполнения измерений характеристик государственного реконструкции матрицы плотности, совпадение обнаружение и определение спектра одиночных фотонов. Представленные методы формируют доступной, реконфигурируемых и масштабируемую основу для сложных высокого мерного государства подготовки и обработки протоколов в частотной области.

Introduction

Контроль за квантовых явлений открывает возможность для новых приложений в таких областях, как безопасное квантовой связи1, мощные квантовой обработки информации2и квантовой зондирования3. В то время как активно изучаются различных физических платформ для реализации квантовых технологий4, оптических квантовых состояний являются важным кандидатами, как они могут exhibit раз длинные последовательности и стабильности от внешних шумов, отличные передача свойств, а также совместимость с существующими телекоммуникаций и технологий чип (CMOS) кремния.

На пути к полной реализации потенциала фотонов для квантовых технологий, состояние сложности и информационного содержания может быть увеличена за счет использования несколько запутанный сторон и/или высокой размерности. Однако на чипе поколения таких оптических государств не хватает практичности как установок являются сложными, не отлично масштабируемые и/или использовать высоко специализированные компоненты. В частности, требует высоких мерного пути запутывание Equation 01 когерентно возбужденных идентичные источники и разработать схемы луча сплиттеры5 (где Equation 01 это размерность государства), в то время как время запутывание потребностей комплекса Интерферометры мульти руки6. Удивительно,-частотное хорошо подходит для масштабируемых поколения и контроля сложных государств, как свидетельствуют ее недавние эксплуатации в квантовой частоты Расчески (QFC)7,8 с помощью сочетания интегральной оптике и телекоммуникационной инфраструктуры9и представляет собой многообещающие рамки для будущих квантовой информационных технологий.

На чипе QFCs создаются с использованием нелинейных оптических эффектов в комплексной микро полостей. Используя такие нелинейные микро резонатор, два запутанных фотонов (отмечено как сигнал и отводные) производятся путем спонтанной Четырехволновое смешивания, через уничтожение двух фотонов возбуждения - с результирующей пара генерируется в суперпозиции полости режимы-равномерно резонансной частоты (рис. 1). Если есть согласованности между режимами отдельных частоты, частота bin запутанные государство является форматом10, который часто называют locked режиме два фотона состояние11. Эта волна государство-функция может быть описана,

Equation 02

Здесь Equation 03 и Equation 04 являются сингл частоты режиме холостой и сигнала компонентов, соответственно, и Equation 05 является амплитуда вероятности для Equation 06 -й сигнал холостой режим пара.

Предыдущие демонстрации на чипе QFCs выделить их универсальность как жизнеспособной квантовой информации платформ и включают Расчески коррелированных фотоны12, кросс поляризованных фотонов13, запутанные фотоны14,15 , 16, мульти Фотон государства15, и частота bin запутанные государств9,17. Здесь мы предоставляем подробный обзор платформы QFC и протокол для высоких мерных частоты bin запутанные поколение оптических государства и управления.

Будущее Квантовая приложений, особенно тех, чтобы быть сопряжена с высокоскоростным электроники (для своевременной обработки информации), требуют высокой скорости поколения высокой чистоты Фотон государств в компактный и стабильной установки. Мы используем схему активно режим блокировки, вложенные полости производить QFCs в пределах телекоммуникаций S, C и L частотных диапазонах. Микро кольцо включена в больших импульсных лазерных полость, с оптического усиления (предоставляемые эрбий допированном волокон усилителя EDFA) фильтруется в соответствии с пропускной способностью микро кольцо возбуждения18. Режим блокировки активно реализуется через-электрооптического модуляции полости потери19. Изолятор гарантирует, что пульс распространение единого направления. В результате пульс поезд имеет очень низкое Среднее квадратическое (СКО) шума и экспонаты перестраиваемый второгодников и пульс полномочия. Высокая изоляция узкополосный режекторный фильтр отделяет излучаемых фотонов QFC из поля возбуждения. Затем эти одного фотонов ориентируются на основе волокон для контроля и обнаружения.

Наша схема является шагом к высокая скорость создания, малогабаритный QFC источник, как все компоненты, используемые потенциально могут быть интегрированы в фотонных микросхему. Кроме того импульсного возбуждения особенно хорошо подходит для квантовой приложений. Во-первых глядя на пару микро полость резонансов симметричный для возбуждения, он создает два Фотон государства, где каждый фотон характеризуется одночастотный режим – Центральный для линейных оптических квантовых вычислений20. Также, мульти Фотон государства может быть порождена переезда в более высокой мощности возбуждения режимов и выбрав несколько пар сигнал холостой15. Во-вторых как фотоны преобразуются в известное время windows соответствующий импульсным возбуждением, пост-обработки и стробирования может осуществляться для улучшения состояния обнаружения. Возможно наиболее значительно, наша схема поддерживает высокий поколения ставки Фотон государств с использованием гармонический режим блокировки без снижения совпадение случайное отношение (автомобиль) – который может проложить путь для высокоскоростных, многоканальный квантовой информации технологий.

Чтобы продемонстрировать влияние и возможности в частотной области, управления QFC государств должны быть выполнены в целевых путей, обеспечивая высокую эффективность преобразования и согласованности государственных. Для удовлетворения таких требований, мы используем каскадные Программируемые фильтры и фаза модуляторы-установленные компоненты в телекоммуникационной отрасли. Программируемые фильтры может использоваться для навязывания произвольных спектральных амплитуды и фазы маски на одного фотонов, с разрешением достаточно для решения каждой частоты режим индивидуально; и электро оптические этап модуляторы, движимый радиочастотного (RF) сигнала генераторов облегчить смешивания частота компоненты21.

Наиболее важным аспектом этой схемы управления является, что она работает на всех режимах квантовой фотонов одновременно в один пространственный режим, с помощью одного элемента управления элементами. Увеличение размерности квантового состояния не приведет к увеличению сложности установки, в отличие от пути или время Бен запутанность схемы. Также, все компоненты являются внешне реконфигурируемых (смысл операции могут быть изменены без изменения установки) и использование существующей телекоммуникационной инфраструктуры. Таким образом существующих и предстоящих событий в области сверхскоростной оптической обработки могут быть непосредственно переданы элемент масштабируемых квантовых состояний в будущем.

В резюме эксплуатация в частотной области, QFCs поддерживает высокий скорость генерации сложных квантовых состояний и их контроля и, таким образом хорошо подходит для использования сложных государств в отношении практических и масштабируемых квантовых технологий.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. поколение высокой мерных частоты bin запутанные государствами посредством импульсного возбуждения

  1. По схеме, изложенной в рисунке 2 (в стадии зарождения) подключение каждого компонента с помощью поляризации поддержание световодов (для повышения экологической устойчивости).
  2. Подключите источник питания к амплитуда электро оптического модулятора и применить DC напряжения смещения, тюнинг значение смещения до тех пор, пока оптическая мощность, передаваемая через него примерно вдвое (измеряется с помощью Измеритель оптической мощности), например., таким образом, что пик значение передачи 2 МВт вдвое до 1 МВт.
  3. Измерьте длину приблизительный внешний полости. Вычислить расстояние режим внешние полости, используя отношения,
    Equation 07
    где Equation 08 режим внешние полости интервалов, c — скорость света в вакууме, Equation 09 является эффективным показателем полости среднего, и L -длина внешних полости. Например для полости 20 м, состоит из волокон с эффективной преломления 1,46, интервал режиме приблизительное полости бы 10.2 МГц.
  4. Включите EDFA приступить к генерации.
  5. Вставьте быстро фотодиода установки в полость муфты или другие порты кольцо. Подключите сигнал фотодиода осциллограф соблюдать интенсивности возбуждения поля в области времени.
  6. Установите разрешение времени осциллограф < 100 л.с. (через ручку горизонтальной шкале) с целью устранения импульсов ns масштаба. На этом шаге без активации, модулятор вывод на осциллограф покажет нестабильной пульс операции с низким качеством, высокой шума импульсов.
  7. Подключите функцию генератор к амплитуда электро оптического модулятора. Установите частоту генератора вывода функции интервал режиме (приблизительно) внешние полости, нашли выше (или гармоники). Этот сигнал выполняет режим блокировки. Выбор формы импульса (прямоугольный) или синусоиды для амплитудной модуляции. Включите функции генератора.
  8. Настройки частоты генератора функция РФ и DC, смещение для оптимизации и стабилизировать пульс поезд фигуру на осциллограф. Если используется импульсный сигнал вождения, оптимизируйте его Скважность импульсов.
  9. Вручную настраивать усиления EDFA сократить (или увеличить) интенсивность импульсов для режима, где свойства созданного фотонов, нужным пользователем (автомобиль является полезным показателем здесь - см. ниже подробную информацию о его измерения). Для этого Сравните гистограммы соответствующих совпадение, порожденных визуальный интерфейс, который поставляется с электроникой сроков.
  10. Канал канал синхронизации времени электроники с пульс поезд сигнал (обнаружены фотодиод) или РФ режим блокировки синхронизации детекторы одиночных фотонов с поколением пары фотонов.
  11. Чтобы увеличить скорость создания QFCs, диск режим блокировки модулятор на высших гармоник интервала частоты внешней полости при одновременно увеличения усиления EDFA, чтобы обеспечить такую же мощность в импульсе — это поддерживает Фотон пару автомобилей во время повышая уровень производства пара (рис. 3). Для этого увеличение частоты вывода функции генератора и усиления EDFA соответственно.

2. контроль над высоким мерных частоты bin запутанные государства

  1. По схеме, изложенной в рисунке 2 (стадии контроля) Подключите все компоненты, с помощью поляризации поддержание волокон. Начиная с узкополосный режекторный фильтр в схеме поколения, подключите в серии первый программируемый фильтр, фаза модулятор и второй программируемый фильтр. Наконец, подключите один фотон детекторы для целей измерения.
  2. Программируемый фильтр операции
    Примечание: В зависимости от конкретных приложений/измерение выполняется, будет отличаться параметры управления QFC и амплитуды и фазы маски, применяется к частоте режимы должны определяться соответственно. Амплитуда маска может использоваться для ослабления или блокировать определенные режимы частоты и фазы маска может распространять произвольных фазовый сдвиг на каждом режиме.
    1. Определите необходимые маски для нужного приложения/измерения.
    2. Через визуальный интерфейс программируемый фильтр22установите амплитуда желаемой частоты режим каналов и смягчить все остальные.
    3. Аналогичным образом нанесите фаза (фаза, применяется на нежелательные каналы неважно, как они полностью смягчены). Управление программируемый фильтр с визуальный интерфейс, где выбираются желаемой частоты.
  3. Фазовая модуляция операция
    1. При использовании фазовая модуляция, движимый периодический сигнал, разделить каждый спектральных компонент на стороне полос равномерно по частоте сигнала генератора, который является движущей фазы модулятор. Используйте это для смешивать несколько разных квантовой частоты режимов, аналогичных с пространственной луч сплиттеры в путь запутанность схемы. В квантовой режима электро оптической модуляции фазы считается квантовой рассеяние операции23.
    2. Определить целевой частоты режимы (зависит от Equation 01 и измерения/обработка выполняется) и рассчитать напряжения шаблон (частота и амплитуда синусоиды генератора) для оптимизации желаемого Equation 10 значения (см. ниже для некоторых подробности об этом).
    3. Подключение генератора сигнала усилитель РФ, с помощью кабелей низкого потери (например SMC кабели). Соедините выход усилителя RF модулятор фазы, также с помощью адекватных ВЧ кабели. После того, как все заканчивается РФ подключены и должным образом прекращено, смещения усилитель РФ.
    4. Убедитесь, что усилитель РФ обладает достаточной Выходная мощность водить электро оптические этап модулятор с достаточно напряжения для удовлетворения желаемого смешивания условий — это порядка несколько Equation 11 (Полуволновые напряжения фазы модулятор). Кроме того убедитесь, что ВЧ Кабели и разъемы являются адекватными для пропускной способности и частоты диапазона движения сигнала.
    5. Установка генератора сигнала RF (который является движущей модулятор фаза) с частотой, которая будет перекрывать желаемого режима с созданной стороне полосы (например., 33 ГГц).
    6. Включите генератор сигнала смешивать режимы частот.
    7. Чтобы убедиться, что применяется правильное модуляции, отправить непрерывном лазера через фазу модулятор и проверьте, что спектр вывода соответствует предполагаемой модуляция с помощью анализатора оптического спектра (параметры модуляции может быть далее оптимизированный, см. примечания).
      Примечание: Оптимизация смешивания режимов частоты (определение оптимальной функции частоты и амплитуды) сильно зависит от желаемого смешивания схемы, эксперимент выполняется и государственные размерность Equation 01 . Если возможно смешивая схемы следует смешивать режимы недалеко от начальной частоты режиме (при низкой-целое число боковых полосах) для повышения эффективности перемешивания. Например если Equation 12 , перемешивание рекомендуется происходят на полпути между режимами две частоты (таким образом, фазовая модуляция должна определяться с частотой, которая имеет целое несколько равных половины квантовой режиме частота интервалов, или бесплатно Спектральный диапазон (FSR)). Однако, для Equation 13 , перемешивание рекомендуется происходят в режиме частота центр (фаза модуляция должна определяться на частоте с целое несколько равных в FSR). Например, с Equation 13 и микро полость Equation 14 ГГц, фазовая модуляция вождения сигнала устанавливается на 33,33 ГГц таковы, что Equation 15 боковой перекрывается с соседними режимами частоты - оставляя также достаточной интенсивности в центре Частотный режим. Это приводит к перекрытия боковых полосах соседние режимы Equation 16 , Equation 17 и Equation 18 в режиме частота центр Equation 17 . На рисунке 4a визуализирует примером процесса модуляции и боковой коэффициенты. Каждый режим частоты проходит же фазовая модуляция и создает тот же распределения боковой, но центру о оригинальной частоты режиме (рис. 4a). Одночастотный режим боковая полоса амплитуд рассчитываются как коэффициенты Фурье24,
      Equation 19
      где Equation 10 передается амплитуда Equation 20 sideband -й, Equation 21 , фаза Модулятор управляется в, частота Equation 22 шаблон фазовая модуляция (периодические с частотой Equation 21 ), и Equation 23 является аргумент функции периодических модуляции (Equation 24). Для синусоидального сигнала вождения Equation 25 , сторона полосный амплитуд описаны расширения Якоби-гнев,
      Equation 26
      Equation 27
      где Equation 28 это Equation 20 - арные функции Бесселя первого рода, оценивается в Equation 29 и Equation 30 это максимальный фазовый сдвиг (где Equation 31 является амплитуда напряжения сингл тона водительские сигнала).

3. обработка высокой мерных частоты bin запутанные государства

  1. Спектр одиночных фотонов
    1. Вставьте после фильтрации поля возбуждения от QFC, на выходе фильтр программируемый детектор одиночных фотонов.
    2. Через программируемый фильтр компьютерного программного обеспечения развертки по пропускной способности полностью программируемый фильтр, используя маску амплитуды узкие полосовой фильтр, измерения Фотон количество ставок в зависимости от частоты. Например если визуальный интерфейс/управления сценарий в MATLAB используется (что сопряжено с управления программируемых фильтра и сроков электроника), введите значения полосы пропускания фильтра и шаг номер и нажмите кнопку «Запустить». Убедитесь, что достаточное время интеграции для получения надлежащего Фотон подсчитывает.
    3. Чтобы восстановить весь спектр от этих данных, участок (например, с помощью скрипта Matlab) Фотон игр ставки против соответствующей длины волны (полосовой фильтр центр) где они были приобретены.
  2. Совпадение измерение
    1. Чтобы выполнить измерение совпадение, Сплит и маршрутизации сигнала и направляющее фотоны отделить детекторы одиночных фотонов. Если программируемый фильтр имеет несколько портов, используйте его для выполнения разделения. В противном случае вставьте плотной-спектрального мультиплексор (DWDM) до детекторы одиночных фотонов и использовать это для маршрутизации фотонов.
    2. Выберите сигнал и направляющее пары (например, второй резонансной линии относительно частоты возбуждения, сигнал-2 и отводные-2) с использованием программируемых фильтр (через интерфейс, предоставленный программного обеспечения) и направлять их на две отдельные одиночных фотонов детекторов. Например для WaveManager программного обеспечения, нажмите кнопку подменю FlexGrid, связанная с, нажмите кнопку «Добавить» и введите порт, волны и вывода для выбранного канала22.
    3. Запишите время прибытия сигнала и направляющее фотонов с использованием времени аналого цифрового преобразователя. Из этих измерений Вычислите время задержки между двумя фотонов. Участок гистограммы (например, с помощью скрипта Matlab) совпадения подсчитывает время задержки Equation 32 между сигналом и отводные — это обеспечивает совпадение измерения.
      Примечание: Автомобиль метрики сравнивает количество правда случайно сгенерированный Фотон пар с отсчеты случайного совпадения, вытекающих из нескольких Фотон процессов и темные графов.
    4. Из выше Вычисляемые измерения, записать число отсчетов в центр пик (случайностей, вытекающих из фотонов, производится в том же импульса, вокруг нулевой задержки, Equation 33 ) — это значение совпадение.
    5. Запишите среднее количество пунктов в каждой стороне пик (совпадения фотонов производятся в разных импульсов, где Equation 32 является кратной пульс поезд период, т.е., обратное частота следования импульсов), это случайное значение.
      Примечание: Автомобиль это просто отношение этих двух значений (значение значение/случайное совпадение).
  3. Реконструкция матрицы плотности
    Примечание: Процесс восстановления матрицы плотности зависит от нескольких параметров состояния квантовой: размерность фотоны, количество фотонов, и какие режимы измеряются. Количество сырых измерений равнаEquation 34, гдеEquation 01Это размерность иEquation 35Это количество фотонов. Так например, пару двух фотонов с размерностьEquation 13потребует 81 измерений. Этот протокол будет наметить общий процесс реконструкции матрицы плотности, с примерами для парыEquation 13Частотный режим фотонов.
    1. Определите набор базисных векторов для желаемого состояния и набор проекции векторов (см. ниже подробную информацию о том, как правильно выбрать эти).
    2. С совпадением измерения используйте либо программируемый фильтр или сигнал маршрут DWDM и направляющее фотоны для разделения детекторы одиночных фотонов.
    3. Через программируемый фильтр программное обеспечение управления выберите нужную частоту режимы и смягчить все остальные. Значения этапа маска для реализации каждой проекции wavevector индивидуально и записывать измерения совпадение. Важно позволить то же время интеграции между различными проекции совпадение графов.
    4. С помощью пользовательского сценария, вычисления матрицы плотности фотонов, используя сырье совпадение количество измерений каждого проекции wavevector (соответствующих вычислительных подробности см. ниже).
      Примечание: При определении базисных векторов для измерения матрицы плотности, они должны охватывать пространстве состояний. Для пример являются базисных векторов
      Equation 36
      Для государства, Equation 37 , плотность матрица описывает квантовое состояние,
      Equation 38
      Матрицы плотности для любой реальной физической системы должны быть положи́тельно определённая эрмитова матрица - но из-за шума, это не всегда может быть дело. В случае примера с выбранной основу wavevector для идеальной максимально частоты запутанные состояния может быть представлено как
      Equation 39
      и таким образом, будет теоретической плотности матрицы:
      Equation 40
      Проекция измерений на серии проекции wavevectors, Equation 41 . Приведены счетчики совпадение для каждого прогноза,
      Equation 42
      где Equation 43 константа (определение см. ниже).
    5. Выберите набор ортогональных Equation 44 , нормированный матрицы, Equation 45 , что
      Equation 46
      где Equation 47 след, Equation 01 — это измерение, Equation 35 — это количество фотонов, и Equation 48 является функция дельта Кронекера. Эти матрицы могут быть построены с использованием специальных унитарное Су (Equation 01) Генераторы (из которых есть Equation 49 ), наряду с единичной матрицы, через все возможные тензор продукт комбинации25. Смотрите ниже ортогональные матрицы пример случай.
    6. Реконструировать матрицы плотности, Equation 50 , через следующие отношения,
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      где Equation 55 Фотон подсчитывает для Equation 56 -й проекции вектора, Equation 57 являются проекции векторов (см. следующий шаг), где Equation 58 и Equation 59 рассчитываются согласно определению уравнение.
      Примечание: Wavevectors проекции для примера дела являются,
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      Экспериментально эти wavevectors реализуются путем придания соответствующей фазовый сдвиг на каждом режиме через программируемый фильтр. Обратитесь к предыдущей публикации25 для обсуждения на проекции векторов. Ортогональные набор матриц, Equation 69 для примера случай выбираются сначала с помощью генераторов SU(3) наряду с единичной матрицы,
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      и вычисляются как,
      Equation 79
    7. Для более углубленного обсуждения высокой мерного состояние восстановления обратитесь к ссылке 25 25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Изложил схему для генерации и контроля государств высокой мерных частоты bin (на основании возбуждения нелинейного микро полостей, рис. 1) показано на рисунке 2. Эта установка использует стандартные телекоммуникационные компоненты и является очень гибким в Фотон темпы производства и обработки операций применяется. Рисунок 3 показывает характеристику поколения схемы через совпадение ставки и автомобиль как функция частота повторения, демонстрируя, что производство пары фотонов может быть увеличено без снижения автомобиль. В Секции управления Программируемые фильтры и фаза модуляторы (рис. 4A) позволяют согласованного управления волновые Фотон. Такая схема управления используется для выполнения квантовое состояние томография Equation 13 , два Фотон системы для воссоздания государства матрицы плотности, как показано на рисунке 4В. Результаты демонстрируют отличные соглашения между государствами измеренных и максимально запутанные, с достигнутыми верности 80,9%.

Figure 1
Рисунок 1: поколение гребень частоты импульсного квантовой. Импульсное поле возбуждает одного нелинейного микро полости резонанса (зеленый). Спонтанное Четырехволновое смешивания опосредует аннигиляции двух фотонов от возбуждения спектра режима и создания двух фотонов дочь, называемый сигнал и холостой (красный и синий), спектрально симметричный для возбуждения. Фотон пара находится также в квантовой суперпозиции режимов частоты, определяется резонансы, таким образом, что в eigenbasis, определенных государством гамильтониан, стереографическую представлен нормализованных сумма собственных векторов симметричной частоты в режиме. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: платформа для практического высокой мерного квантовое состояние поколения и управления. 26,микро кольцевой резонатор27 внедряется в большую, внешнюю полости. Этот внешний полость состоит из активной электро оптической амплитуды модулятор, движимый сигнала генератора, оптического усиления компонента и узкие полосовой фильтр, с последнего ограничения циркулирующего импульса возбуждения к полосе пропускания, соответствующий одному микро полости резонанс. Квантовая частоты Расчески, созданный с помощью этой схемы (рис. 1) фильтруются из поля возбуждения и передать стадии контроля через узкополосный режекторный фильтр. Здесь объединение Программируемые фильтры и электро оптические этап модуляторы (под усиленный сигнал от генератора сигнала RF) может использоваться для манипулирования государства. В стадии обработки натяжной и сигнал фотонов направляются на отдельные Однофотонная детекторы с помощью DWDM, и время задержки измеряется с помощью электроники сроков. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: показатель измеренной совпадение (вверху) и совпадение случайное отношение (автомобиль) (внизу) для пары фотонов соответствующие режимы частот сигнала-2 и отводные-2 как функция увеличения частота повторения для гармонично locked режиме импульсного возбуждения. Как пульс форму и пик полномочия были сохранены для различных второгодников, совпадение курс был найден расти линейно, а автомобиль был во многом сохранились. Незначительное сокращение в автомобиле и его несовершенным линейное уменьшение является вменяемым незначительных отклонений от власти целевых возбуждения. Планки погрешностей соответствуют стандартное отклонение рассчитываются для пяти измерений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: поколение боковых полосах через электро оптические фазовая модуляция (вверху) и реконструкция матрицы плотности пример для D = 3 (внизу). () частота sideband поколение по электро оптического модулятора как функция частота Equation 80 , с боковой полос, расположенных по частоте модулирующего сигнала, Equation 81 . FSR: Пример свободного спектральном диапазоне микро кольцо резонатора. (b) экспериментальной плотности матрицы реконструкция D = 3 частота bin запутанные двух Фотон государства (действительная и мнимая части слева и справа, соответственно). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Оптических частот домен, через QFCs, выгодно в квантовой приложений для целого ряда причин. Операции являются глобальными, Исполняющий обязанности на все государства одновременно, что приводит в дизайн, который не масштаб размера или сложности как увеличение размерности государства. Это повышается как компоненты могут быть преобразованного на лету без изменения установки и способны быть встроенный чип путем использования существующих и/или развитие полупроводниковых и телекоммуникационных инфраструктур. Поколения методы также могут быть приняты для других оптических микро кариес — например второго порядка нелинейных микро полостей28, микро диски29, Фотонный кристалл волноводами30,31, и т.д.

Достижения в системе возбуждения проложит путь для высокие производственные показатели, необходимые для обработки приложений квантовой информации. Хотя темп производства нашего поколения схемы может быть увеличена режим блокировки на более высоких частотах гармоник, supermode шум может привести к нестабильности в этих высших второгодников. Подавление шума может быть достигнуто с методами например полости длина модуляции32,33, нелинейных компенсации34и средней утонченности supermode фильтрации методы35,36.

Улучшения в системе приведет к еще более высокие темпы производства Фотон. Общие потери в части управления был 14,5 дБ (1 дБ для узкополосный режекторный фильтр, 4,5 дБ для первого фильтра программируемые, 3,5 дБ для фазы модулятор и 4,5 дБ для второго фильтра программируемые). Темпы производства может быть увеличение во много раз через реализуемые сокращения потерь – с доступной улучшение 5 dB путем интеграции многие компоненты управления, используемых в установки в один компактный, Нижняя потеря оптических чип.

Совершенствование контроля частоты режим смешивания через более целенаправленных стороне полосный создание обеспечит более эффективные ворота и более высокие темпы производства. Поскольку вероятность рассеяния зависит модуляции сигнала (шаблон, частоты и амплитуды) и электро оптического модулятора спецификации, они должны быть в сфере эффективно перекрываются режимы (генерировать побочные групп) в желаемой смешивания частоты — требующих сигнала скорости РФ (ГГц), усилители напряжения искусства и низкий Equation 11 фаза модуляторы.

Текущие Программируемые фильтры ограничены в спектральный и резолюции; оборудование, используемое в оригинальной демонстраций были пропускания от 1527.4 Нм для 1567.5 Нм и с разрешением 12,5 ГГц. С микро кольцо FSR 200 ГГц этот программируемый фильтр обеспечивает доступ к 10 сигнал и 10 натяжной частоты. Размерность этих квантовых состояний может легко достичь значения вверх по Equation 82 (соответствующий как 14 кубитов) с достижениями в программируемый фильтр полосы пропускания/резолюции и оптической полости FSR — все без увеличения след установки .

С платформой QFC, изложенные здесь мы показываем, поколения и контроля сложных квантовых состояний в компактный, реконфигурируемых и практическим способом. Основные моменты наших схем являются возможности для высокой поколения ставки чистого одного фотонов и глобальные операции на все государства с отдельных компонентов, позволяя масштабируемость в виде серийных, низкой стоимости, комплексного фотонные чипов и доступной Телекоммуникационные компоненты. С помощью этой платформы QFC, значительные шаги сделаны к квантовых технологий обработки информации. Квантовая связь по высоким ставкам реализуемы с мультиплексных каналов, позволяя защищенной информации, передачи в очень эффективной ставки, в то время как высокой мерного квантовых вычислений является развивающейся области, которые могли бы помочь преодолеть ограничения на основе кубит Вычисление37.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Мы благодарим р. Helsten за техническую информацию; P. Кунг от QPS Photronics за помощь и оборудование для обработки; а также QuantumOpus и N. Бертоне оптоэлектронные компоненты за их поддержку и за предоставление нам Фотон искусство обнаружения оборудования. Эта работа стала возможной благодаря следующие источники финансирования: естественные науки и инженерных исследований Совет из Канады (СЕНТИ) (Steacie, стратегических, обнаружения и ускорение грантов схем, Ванье Канада Магистратура стипендии, Стипендия УСРА); Mitacs (IT06530) и PBEEE (207748); МЭСИ PSR-СИИРИ инициатива; Канада Председатель исследовательской программы; Австралийский исследовательский совет открытие проектов (DP150104327); Европейский союз Horizon 2020 исследований и инновационной программы под Марии Склодовской-Кюри Грант (656607); Программа CityU SRG-Fd (7004189); Программа исследований стратегический приоритет Китайской академии наук (XDB24030300); Программа (Мари Кюри действия) люди FP7 программы Европейского союза по соглашению ри Грант INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Правительство Российской Федерации через НИУ ИТМО стипендий и профессора программа (Грант 074-U 01); Программа 1000 таланты Сычуань (Китай)

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

Инжиниринг выпуск 136 квантовая оптика интегрированный фотонных устройств к морю режим лазеры нелинейной оптики Четырехволновое смешивания частота Расчески высокой мерного государства
Поколение и согласованного контроля импульсных квантовой частоты Комбс
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