Summary
En protokoll er presentert for praktisk generasjon og sammenhengende manipulering av høy-dimensjonale frekvens-bin fanget Foton stater med integrert mikro-hulrom og standard telekommunikasjon komponenter, henholdsvis.
Abstract
Vi presenterer en metode for generasjon og sammenhengende manipulering av pulserende quantum frekvens kammer. Inntil nå har metoder å forberede høy-dimensjonale stater på prosessoren på en praktisk måte vært unnvikende på grunn av den økende kompleksiteten av quantum kretsene måtte forberede og behandle slike tilstander. Her vi skissere hvordan høy-dimensjonale, frekvens-bin fanget, to-fotonet stater kan genereres med en stabil, høy generasjon hastighet ved hjelp av en nestet hulrom, aktivt modus-låst magnetisering av et ikke-lineære mikro-hulrom. Denne teknikken brukes til å produsere pulserende quantum frekvens kammer. Dessuten, vi presenterer hvordan kvantetilstander kan være sammenhengende manipulert med standard telekommunikasjon komponenter som programmerbare filtre og elektro-optisk modulatorer. Spesielt viser vi i detalj hvordan du utfører staten karakterisering målinger som tetthet matrix gjenoppbygging, tilfeldig oppdagelse og enkelt Foton spektrum besluttsomhet. Metodene presentert danner et tilgjengelig, rekonfigurerbare og skalerbar grunnlag for komplekse høy-dimensjonale staten forberedelse og manipulasjon protokoller i frekvens domene.
Introduction
Den quantum fenomener åpner muligheten for nye programmer i felt så forskjellige som sikker quantum kommunikasjon1, kraftig quantum informasjonsbehandling2og quantum sensing3. Mens en rekke fysiske plattformer undersøkes aktivt for realizations av quantum teknologi4, er optisk kvantetilstander viktig kandidater som de kan vise lang sammenheng ganger og stabilitet fra ekstern støy, utmerket overføring egenskaper, samt kompatibilitet med eksisterende telekommunikasjon og silisium chip (CMOS) teknologier.
Å fullt ut realisere potensialet i fotoner for quantum teknologier, kan staten kompleksitet og informasjon innhold økes ved hjelp av flere fanget parter og/eller høy-dimensjonalitet. Men mangler på prosessoren generering av slike optisk tilstander funksjonalitet som oppsett er komplisert, ikke helt skalerbar og/eller bruke høyt spesialiserte komponenter. Spesielt høy-dimensjonale bane-forviklinger krever 
sammenhengende-spent identiske kilder og forseggjort kretser bjelke-splitters5 (der er staten dimensionality), mens tid-forviklinger trenger komplekse flere arm interferometers6. Bemerkelsesverdig, frekvens-domene er velegnet for skalerbare generasjon og kontroll av komplekse stater, som vist av sine siste utnyttelse i quantum frekvens kammer (QFC)7,8 bruke en kombinasjon av integrert optikk og telekommunikasjon infrastruktur9, og gir en lovende ramme for fremtidige quantum informasjonsteknologi.
På prosessoren QFCs genereres ved hjelp av lineær optiske effekter i integrert mikro-hulrom. Bruke slik en lineær mikro-resonator, er to fanget fotoner (kjent som signal og dagdriver) produsert av spontane fire-bølge miksing, via tilintetgjørelsen av to eksitasjon fotoner - med den resulterende par genereres i en superposisjon av hulrommets jevnt plasserte resonansfrekvensen moduser (figur 1). Hvis det er sammenheng mellom de individuelle frekvens, er en frekvens-bin fanget stat dannet10, som ofte kalles en modus-låst to Foton stat11. Denne staten bølge-funksjonen kan beskrives ved,
Her, 
og 
er single-frekvens-modus dagdriver og signal komponenter, henholdsvis, og 
er sannsynligheten amplituden til den 
-te signal-dagdriver modus par.
Tidligere demonstrasjoner av på prosessoren QFCs markere deres allsidighet som levedyktig quantum informasjon plattformer, og inkluderer kammer korrelert fotoner12, cross-polarisert fotoner13, fanget fotoner14,15 , 16: flere Foton sier15, og frekvens-bin fanget stater9,17. Her vi gir en detaljert oversikt over QFC plattformen og en protokoll for høy-dimensjonale frekvens-bin fanget optisk staten generasjon og kontroll.
Fremtidige quantum programmer, særlig de å være tilkobles med høyhastighets elektronikk (for rettidig informasjonsbehandling), krever høy generering av høy renhetsgrad Foton stater i en kompakt og stabil oppsett. Vi bruker et aktivt modus-låst, nestede hulrom-oppsett til å produsere QFCs innenfor telekommunikasjon S og C L frekvensbånd. En mikro-ring er innlemmet i et større pulsed laser-hulrom, med optisk gevinst (fra erbium-dopet fiber forsterker, EDFA) filtrert for å matche den mikro-ring eksitasjon båndbredde18. Modus-låsing er aktivt realisert via elektro-optisk modulering av hulrom tap19. En isolator sikrer at impuls overføring følger én retning. Resulterende puls toget har svært lav rot betyr torget (RMS) støy og utstillinger tunable repetisjon priser og puls krefter. Høy isolasjon støyfilter skiller slippes ut QFC fotoner fra feltet eksitasjon. Disse enkelt fotoner er så guidet gjennom fiber for kontroll og gjenkjenning.
Våre ordningen er et skritt mot en høy generasjon-rente, små-fotavtrykk QFC kilde, som alle komponenter som brukes kan potensielt bli integrert på en foto flis. Dessuten er pulserende eksitasjon spesielt godt egnet for quantum programmer. Først genereres ser på et par mikro-hulrom resonanser symmetrisk til magnetisering, to-fotonet stater der hvert Foton er preget av en enkelt-frekvens modus-sentral for lineær optisk quantum computing20. I tillegg kan flere Foton stater genereres ved flytting til høyere makt eksitasjon regimer og velge flere signal-dagdriver par15. Andre, som fotoner er slippes ut i kjente tidsvinduer tilsvarer pulserende magnetisering, etterbehandling og gating kan implementeres for å forbedre gjenkjenning av staten. Kanskje mest betydelig, støtter vår ordning høy generasjon priser Foton stater med harmonisk modus-låsing uten å redusere tilfeldig-til-tilfeldig forholdet (bil)-som kunne bane vei for høyhastighets, flerkanals quantum informasjon teknologi.
For å vise virkningen og gjennomførbarhet av frekvens-domene, må kontroll over QFC stater oppnås i målrettede måter, sikre høyeffektive transformasjoner og staten sammenheng. For å tilfredsstille slike krav, bruker vi overlappende programmerbare filtre og fase modulatorer-etablerte komponenter i telekommunikasjonsbransjen. Programmerbare filtre kan brukes å innføre en vilkårlig spectral amplitude og fase maske på enkelt fotoner, med en oppløsning som er tilstrekkelig til å møte hver frekvens modus individuelt. og elektro-optisk fase modulatorer drevet av radiofrekvens (RF) signalgeneratorer rette blanding av frekvens komponenter21.
Det viktigste aspektet ved denne kontrollen ordningen er at det fungerer på alle quantum moduser av fotoner samtidig i en enkelt romlige modus, bruker én kontrollelementer. Økende quantum staten dimensionality vil ikke føre til en økning i installasjonsprogrammet kompleksiteten, i motsetning til bane - eller tid-bin forviklinger ordninger. Også, alle komponenter er eksternt rekonfigurerbare (som betyr operasjonene kan endres uten endring oppsettet) og bruke eksisterende infrastruktur for telekommunikasjon. Dermed kan eksisterende og kommende utviklingen innen lynraske optisk behandling direkte overføres til skalerbare kontroll av kvantetilstander i fremtiden.
I sammendraget, utnyttelse av frekvens-domene av QFCs støtter høy generering av komplekse kvantetilstander og deres kontroll, og er dermed godt egnet for å utnytte komplekse stater mot praktisk og skalerbar quantum technologies.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. generasjon av høy-dimensjonale frekvens-bin fanget stater via pulserende eksitasjon
- Etter ordningen i figur 2 (generasjon scenen), koble til hver komponent bruker polarisering-opprettholde optiske fibre (for forbedret miljømessig stabilitet).
- Koble en strømforsyning til elektro-optisk amplituden modulator og bruke en DC spenning forskyvning, tuning forskyvningsverdien til optiske kraften overføres gjennom det er ca halvert (målt ved hjelp av en optisk strømmåleren), f.eks., slik at en topp overføring verdien 2 mW er halvert 1 mW.
- Måle lengden omtrentlig eksterne hulrom. Beregne eksterne hulrom modus avstanden ved hjelp av forholdet,
hvor
den eksterne hulrom modus avstand, c er hastigheten til lys i vakuum, 
er effektiv indeksen for hulrom medium, og L er eksterne hulrom. For eksempel for en 20 m hulrom består av fiber med en effektiv brytningsindeks av 1,46, ville omtrentlig hulrom modus avstanden være 10.2 MHz. - Slå på EDFA å starte lasing.
- Den raske photodiode inn oppsettet hulrom kabelendene eller andre ring-porter. Koble photodiode signalet til et oscilloskop å observere eksitasjon feltets intensiteten i tid-domenet.
- Sette oscilloskop tid oppløsningen til < 100 hk (gjennom vannrett skala knotten) for å løse på ns skala pulser. På dette trinnet, viser uten modulator aktivert, utgangen på oscilloskop ustabil puls operasjon med en lav kvalitet, høy støy puls tog.
- Koble en funksjonsgenerator til elektro-optisk amplituden modulator. Angi frekvensen av funksjonen generator utgang (omtrentlig) eksterne hulrom modus avstanden funnet over (eller en harmonisk av det). Dette signalet utfører modus-låsing. Velge en puls (rektangulær) bølgeform eller sinuskurve for amplitude modulasjon. Slå på funksjonen generatoren.
- Tune RF funksjonen generator frekvens og DC offset å optimalisere og stabilisere puls tog figuren på oscilloskop. Hvis en pulserende kjøring signaler brukes, optimalisere sin driftssyklus.
- Manuelt justere EDFA gevinst for å redusere (eller øke) puls intensiteten til regimet der egenskapene for genererte fotoner er ønsket av brukeren (bilen er et nyttig beregning her - se nedenfor for detaljer om måling sin). For dette, kan du sammenligne respektive tilfeldighet histogrammer generert av det visuelle grensesnittet som følger med timing elektronikk.
- Mate timing elektronikk sync kanalen med pulse train signalet (oppdaget av photodiode) eller RF-modus-låsing signal å synkronisere de enkelt Foto detektorer med Foton par generasjon.
- For å øke den generasjon rate av QFCs, kjøre modus-låsing modulator høyere harmoniske av eksterne hulrom frekvens avstanden mens augmenting samtidig EDFA gevinst for å sikre samme kraft per puls-dette beholder Foton par bilen mens Styrking par produksjon hastigheten (Figur 3). For dette øke funksjonen generator output frekvensen og EDFA gevinst henholdsvis.
den eksterne hulrom modus avstand, c er hastigheten til lys i vakuum, 
er effektiv indeksen for hulrom medium, og L er eksterne hulrom. For eksempel for en 20 m hulrom består av fiber med en effektiv brytningsindeks av 1,46, ville omtrentlig hulrom modus avstanden være 10.2 MHz.2. kontroll av høy-dimensjonale frekvens-bin fanget stater
- Etter ordningen i figur 2 (kontroll scenen), kan du koble alle komponenter ved hjelp av polarisering-opprettholde fiber. Begynnelsen fra støyfilter i generasjon ordningen, koble i serien første programmerbare filter, fase modulator og andre programmerbare filteret. Endelig Koble enkelt Foton detektorer for måling formål.
- Programmerbare filtreringen
Merk: Avhengig av spesifikke program/måling utføres, kontrollparameterne for QFC vil variere og fase og amplitude maskene på frekvensen modusene må avgjøres tilsvarende. Amplituden masken kan brukes å attenuere eller blokkere visse frekvens moduser og fase masken kan gi en vilkårlig faseskift på hver modus.- Bestemme nødvendig maskene for ønsket program/måling.
- Programmerbare filter visuelle grensesnittet22, angi amplituden til ønsket modus kanalene og dempe alle andre.
- Tilsvarende gjelde fase masken (fasen på uønskede kanalene er uviktig, som de er fullt dempes). Kontrollere programmerbare filteret med et visuelt grensesnitt der ønsket frekvenser er valgt.
- Fase modulering operasjon
- Bruke fase modulasjon, drevet av et periodiske signal, delt hver spectral komponent i side-band avstand av hyppigheten av signalgenerator som driver fase modulator. Bruk dette til å blande flere forskjellige quantum frekvens moduser, analog med romlig bjelke-splitters i bane-forviklinger ordninger. I quantum regimet som elektro-optisk phase modulering en quantum spredning operasjonen23.
- Bestemme målet frekvens moduser (avhengig av
og måling/behandling utføres) og beregne spenning mønsteret (frekvens og amplitude for en sinuskurve generator) for å optimalisere den ønskede 
verdier (se nedenfor for noen detaljer om dette). - Koble signalgenerator til RF-forsterker med lav-tap kabler (for eksempel SMC kabler). Koble RF forsterker utdataene til fase modulator, også bruker tilstrekkelig RF-kabler. Når alle RF ender er koblet og avsluttet, bias RF-forsterker.
- Sikre at RF-forsterker har nok ytelse til å kjøre elektro-optisk fase modulator med nok spenning til å møte ønsket blanding forhold-dette er på flere
(halv-bølge spenningen av fase modulator). Kontroller også at RF-kabler og kontakter er tilstrekkelig for båndbredde og frekvens spekteret av kjøring signalet. - Angi RF signalgenerator (som driver fase modulator) på en frekvens som overlapper ønsket moduser for opprettet siden-bandene (f.eks., 33 GHz).
- Slå på signalgenerator å blande frekvens moduser.
- For å kontrollere at riktig modulering brukes, sende en continuous-wave laser gjennom fase modulator og sjekke at utgang spekteret tilsvarer den tiltenkte moduleringshjul bruker en optisk spektrum analyzer (moduleringshjul parameterne kan være ytterligere optimalisert, se merknader).
Merk: Optimalisere blanding av frekvens moduser (bestemme den optimale funksjonen frekvens og amplitude) er svært avhengig av ønsket blandesystemet eksperimenter utført og staten dimensionality . Hvis mulig, bør blande ordninger blanding moduser nær første frekvens-modus (på lav-heltall sidebånd) for å effektivisere miksing. For eksempel hvis 
, miksing anbefales å oppstå halvveis mellom de to frekvensområdene (dermed fase modulering bør drives på en frekvens som har et heltall flere lik halvparten quantum modus frekvensen mellomrom eller gratis Spectral område (FSR)). Men for 
, blande anbefales å oppstå i senter frekvens modus (fase modulering bør drives på en frekvens med heltall flere like til FSR). For eksempel med og mikro-hulrom 
GHz, fase modulering kjøring signalet er satt til 33.33 GHz slik at det 
sidebåndet overlapper med nabolandet frekvens modi - samtidig også la tilstrekkelig intensiteten i midten frekvens-modus. Dette resulterer i de overlappende av sidebånd nabolandet moduser 
, 
og 
på senter frekvens modus . Figur 4a visualiserer et eksempel på modulering prosessen og sidebåndet koeffisientene. Displaymodus frekvens gjennomgår samme fase modulering og skaper samme sidebåndet distribusjon, men sentrert om den opprinnelige frekvens modusen (figur 4a). For en enkelt frekvens modus beregnes sidebåndet amplituder som koeffisientene Fourierrekker-24
der overføres amplituden til den 
-te sidebåndet, 
er frekvensen som fase modulator drives, 
er den fase modulering mønsteret (periodiske med frekvens ), og 
er den argumentet for funksjonen periodisk modulering (
). For et sinusformet kjøring signal, 
, side-bandet amplituder er beskrevet av Jacobi-sinne,
hvor
er den -te Bessel-funksjonen første slag evalueres på orden 
og 
er maksimal faseskift (der 
er spenning amplituden av enkelt-tone kjøring signalet).
verdier (se nedenfor for noen detaljer om dette).
, miksing anbefales å oppstå halvveis mellom de to frekvensområdene (dermed fase modulering bør drives på en frekvens som har et heltall flere lik halvparten quantum modus frekvensen mellomrom eller gratis Spectral område (FSR)). Men for 
GHz, fase modulering kjøring signalet er satt til 33.33 GHz slik at det 
sidebåndet overlapper med nabolandet frekvens modi - samtidig også la tilstrekkelig intensiteten i midten frekvens-modus. Dette resulterer i de overlappende av sidebånd nabolandet moduser 
, 
og 
på senter frekvens modus 
-te sidebåndet, 
er frekvensen som fase modulator drives, 
er den fase modulering mønsteret (periodiske med frekvens 
er den argumentet for funksjonen periodisk modulering (
). For et sinusformet kjøring signal, 
, side-bandet amplituder er beskrevet av Jacobi-sinne,
er den 
og 
er maksimal faseskift (der 
er spenning amplituden av enkelt-tone kjøring signalet).3. behandling av høy-dimensjonale frekvens-hyllen fanget stater
- Enkelt Foton spektrum
- Sette inn en enkelt Foton detektor etter filtreringen av feltet eksitasjon fra QFC, på utgangen av filtere programmerbare.
- Via den programmerbare filter programvaren, feie over fullt programmerbare filter båndbredde bruker en smal Båndpassdesign filter amplituden maske, måle Foton teller priser som funksjon av frekvens. For eksempel hvis et visuelt grensesnitt/kontroll skriptet i MATLAB brukes (som er tilkobles med programmerbare filterkontrollen og timing elektronikk), angir du ønsket filter båndbredde verdier og trinn nummer og klikk "Kjør". Kontroller integrasjon tid å få riktig Foton teller.
- For å rekonstruere spekteret fra disse dataene, tegn (for eksempel, bruker Matlab script) Foton teller priser mot tilsvarende bølgelengde (Båndpassdesign filter center) hvor de ble anskaffet.
- Tilfeldighet måling
- For å utføre en tilfeldighet måling, delt og ruter signalet og idler fotoner å skille enkelt Foton detektorer. Hvis programmerbare filteret har flere porter, kan du bruke den til å utføre separasjon. Ellers setter en tett-bølgelengde divisjon multiplekser (DWDM) før de enkelt Foto detektorer og bruk dette til å rute fotoner.
- Velg signalet og idler par (for eksempel andre resonans linjene med hensyn til eksitasjon frekvens, signal-2 og dagdriver-2) bruke den programmerbare filtrere (via det medfølgende programvaregrensesnittet) og distribuere dem til to separate enkelt Foton detektorer. For eksempel for WaveManager programvare, klikk Flexgrid undermenyen, klikk "Add" og angi bølgelengde og utgang porten for den valgte kanalen22.
- Registrere ankomsttid signalet og idler fotoner bruke tid-til-digital omformer. Fra disse målingene, kan du beregne tidsforsinkelsen mellom to fotoner. Tegne et histogram (for eksempel, bruker Matlab script) av tilfeldighet teller en tidsforsinkelse
mellom signal og dagdriver-dette gir en tilfeldighet måling.
Merk: Bil beregningen sammenligner antall ekte sammentreff tellinger fra genererte Foton parene med utilsiktet tilfeldighet teller som følge av flere Foton prosesser og mørke teller. - Fra over-beregnet måling, registrerer du antall teller i midten toppen (tilfeldigheter stammer fra fotoner produsert i samme puls, sentrert rundt null forsinkelsen,
), som er verdien for tilfeldighet. - Registrere gjennomsnittlig antall teller i hver side-topp (tilfeldigheter fotoner produsert i forskjellige pulser, der er et multiplum av pulsen trene periode, dvs., inverse av repetisjon puls), som er verdien for utilsiktet.
Merk: Bilen er bare forholdet mellom disse to verdiene (tilfeldig verdi/tilfeldig verdi).
- Tetthet matrix gjenoppbygging
Merk: Prosessen for tetthet matrix gjenoppbygging er avhengig av flere parametere av quantum: dimensionality fotoner, antall fotoner, og hvilke modi måles. Rå målinger som kreves er lik
, derer dimensionality og
er antall fotoner. Så, for eksempel et to-fotonet par med en dimensjonalitetkrever 81 målinger. Denne protokollen vil skissere den generelle prosessen for tetthet matrix rekonstruksjon, med eksempler for et parfrekvens modus fotoner.- Bestemme et sett grunnlag vektorer for ønsket tilstand og en rekke projeksjon vektorer (se nedenfor for detaljer om hvordan å velge riktig dette).
- Med en tilfeldighet måling, kan du bruke enten et programmerbare filter eller et DWDM rute signal og idler fotoner skille enkelt Foton detektorer.
- Programmerbare programvare filterkontrollen, Velg ønsket moduser og dempe alle andre. Angi fasen maske verdier å realisere hver projeksjon wavevector individuelt og registrere en tilfeldighet måling. Det er viktig å tillate samtidig integrasjon mellom forskjellige projeksjon tilfeldighet teller.
- Bruke et egendefinert datamaskiner, beregne tetthet matrisen fotoner bruker rå tilfeldighet teller målinger av hver projeksjon wavevector (se nedenfor for relevante beregningsorientert detaljer).
Merk: Når bestemme grunnlag vektorer for tetthet matrix måling, må de over staten plass. For eksempel saken er grunnlag vektorer
En stat
, tetthet matrix beskriver quantum tilstanden,
Tetthet matrix være for alle reelle fysiske systemer må være en positiv-klar, Hermitian matrise - men på grunn av støy, dette vil ikke alltid tilfelle. I eksempel tilfellet med valgte grunnlag, kan wavevector for ideelle maksimalt frekvens-fanget staten representeres som
og dermed teoretisk tetthet matrisen vil være:
Projeksjon målinger tatt med på en rekke projeksjon wavevectors,
. Tilfeldighet teller hver projeksjon er gitt
hvor
er en konstant (se nedenfor for definisjon). - Velg en ortogonale sett med
, normalisert matriser, 
, slik at
hvor
spor, er dimensjonen, er antall fotoner, og 
er Kroneckers delta-funksjon. Disse matriser kan konstrueres ved hjelp av den spesielle enhetlige SU () generatorer (som det er 
), sammen med identiteten matrise, gjennom alle mulige tensoren produkt kombinasjoner25. Se nedenfor for de ortogonale matriser av eksempel saken. - Rekonstruere tetthet matrise,
, via følgende relasjonene
hvor
er Foton teller på 
-te projeksjon vektor, 
er projeksjon vektorer (se neste trinn), der 
og 
beregnes etter ligningen.
Merk: Projeksjon wavevectors for eksempel saken er,
Eksperimentelt, er disse wavevectors realisert av formidling riktig faseskift på hver modus via programmerbare filteret. Se forrige publikasjonen25 for diskusjon om projeksjon vektorer. Hvilke ortogonale matriser,
for eksempel tilfellet velges først bruker SU(3) generatorer med identiteten matrise,
og blir beregnet som
- For en mer grundig diskusjon med høy-dimensjonale staten gjenoppbygging, se referanse 25 25.
mellom signal og dagdriver-dette gir en tilfeldighet måling.
), som er verdien for tilfeldighet.
, der
er antall fotoner. Så, for eksempel et to-fotonet par med en dimensjonalitet
, tetthet matrix beskriver quantum tilstanden,
. Tilfeldighet teller hver projeksjon er gitt
er en konstant (se nedenfor for definisjon).
, normalisert matriser, 
, slik at
spor, 
er Kroneckers delta-funksjon. Disse matriser kan konstrueres ved hjelp av den spesielle enhetlige SU (
), sammen med identiteten matrise, gjennom alle mulige tensoren produkt kombinasjoner25. Se nedenfor for de ortogonale matriser av eksempel saken.
, via følgende relasjonene
er Foton teller på 
-te projeksjon vektor, 
er projeksjon vektorer (se neste trinn), der 
og 
beregnes etter ligningen.
for eksempel tilfellet velges først bruker SU(3) generatorer med identiteten matrise,
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Skissert ordningen for generasjon og kontroll av høy-dimensjonale frekvens-bin USA (basert på magnetisering av lineære mikro-hull, figur 1) er vist i figur 2. Dette oppsettet bruker standard telekommunikasjon komponenter og er meget fleksibel i Foton produksjon hastigheten og behandling operasjoner brukes. Figur 3 viser karakterisering av generasjon ordningen gjennom tilfeldighet rate og bil som funksjon av gjentakelseshastigheten, viser at produksjon av Foton par kan økes uten å redusere bilen. I delen kontroll tillater programmerbare filtre og fase modulatorer (figur 4A) sammenhengende kontroll over Foton wavefunctions. Slik kontroll ordning brukes til å utføre quantum staten tomografi av en 
, to-fotonet systemet å rekonstruere staten tetthet matrix, som vist i figur 4B. Resultatene viser utmerket avtale mellom målt og maksimalt fanget USA, med en oppnådd gjengivelse på 80.9%.
Figur 1: pulserende quantum frekvens kam generasjon. Et pulserende felt interesserer en enkelt lineære mikro-hulrom resonans (grønn). Spontan fire-bølge blande formidler tilintetgjørelsen av to fotoner eksitasjon spectral-modusen og generering av to datter fotoner, kalt signal og dagdriver (rød og blå), spectrally symmetrisk til magnetisering. Foton paret er også i en quantum superposisjon av frekvens-modiene som er definert av resonanser, slik at eigenbasis definert av staten Hamiltonian, wavefunction er representert med en normalisert sum symmetrisk frekvens-modus eigenvectors. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: plattform for praktisk høy-dimensjonale quantum staten generasjon og kontroll. Mikro-ring resonator26,27 er innebygd i en større, eksterne hulrom. Denne eksterne hulrom omfatter en aktiv elektro-optisk amplituden modulator drevet av en signalgenerator, en optisk gevinst komponent og smale bånd-pass filter, med sistnevnte begrensende sirkulerende eksitasjon pulsen til en pass-band tilsvarer ett mikro-hulrom resonans. Quantum frekvens kammer generert gjennom denne ordningen (figur 1) er filtrert fra feltet eksitasjon og videre til kontroll fase via støyfilter. Her kan en sammenkobling programmerbare filtre og elektro-optisk fase modulatorer (drevet av et forsterket signal fra en RF signalgenerator) brukes for å manipulere staten. Den dagdriver og signal fotoner rutes til separate single-fotonet detektorer bruker en DWDM behandling scenen, og tidsforsinkelsen måles med timing elektronikk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: den målte tilfeldighet hastigheten (øverst) og tilfeldighet-til-tilfeldig forhold (bil) (nederst) for Foton par tilsvarer signal-2 og dagdriver-2 frekvens moduser som en funksjon av økende gjentakelseshastigheten for harmonisk modus-låst pulserende eksitasjon. Som puls form og topp krefter ble opprettholdt for ulike repetisjon priser, ble tilfeldighet hastigheten funnet å vokse lineært mens bilen var i stor grad bevart. Liten reduksjon i bilen og dens imperfektum lineær nedgang er imputable å lite avvik fra målrettet eksitasjon makten. Feilfeltene tilsvarer standardavviket beregnes for fem mål. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: generering av sidebånd via elektro-optisk phase modulering (øverst) og eksempel tetthet matrix gjenoppbygging til D = 3 (nederst). (en) frekvensen sidebåndet generasjon av en elektro-optisk-modulator som en funksjon av frekvensen 
, med side-band linjeavstand av hyppigheten av modulerende signalet, 
. FSR: eksempel gratis spectral utvalg av en mikro-ring resonator. (b) eksperimentelle tetthet matrix rekonstruksjon av en D = 3 frekvens-bin fanget to-fotonet tilstand (reelle og imaginære delene på venstre og høyre, henholdsvis). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Optisk frekvens-domene, via QFCs, er en fordel i quantum programmer for en rekke grunner. Operasjoner er globale, opptrer på alle stater samtidig, noe som resulterer i et design som gjør ikke målestokken i størrelse eller kompleksitet som staten dimensionality øker. Dette forsterkes som komponentene kan være omstrukturert on-the-fly uten å endre oppsettet og er i stand til å bli integrert på prosessoren ved å utnytte eksisterende og/eller utvikle semiconductor og telekommunikasjon infrastruktur. Generasjon teknikker kan også brukes for andre optisk mikro-hulrom-som andre-ordens lineære mikro-hulrom28, mikro-disker29, fotoniske krystall bølgeledere30,31, etc.
Fremskritt innen eksitasjon ordningen vil bane vei for høy produksjon priser, nødvendig for quantum informasjonsbehandling programmer. Mens produksjon frekvensen av våre generasjon ordningen kan økes ved modus-låsing ved høyere frekvenser og harmonisk kan supermode støy føre til ustabilitet på disse høyere repetisjon priser. Undertrykkelse av denne støyen kunne oppnås med teknikker som hulrom lengde modulering32,33, lineære kompensasjon34og høy-finesse supermode filtrering teknikker35,36.
Forbedringer i systemet vil resultere i enda høyere Foton produksjonsratene. Totalt tap for kontroll del var 14,5 dB (1 dB for støyfilter, 4,5 dB for det første programmerbare filteret, 3,5 dB for fase modulator og 4,5 dB for andre programmerbare filteret). Produksjonen kan være økt mange ganger gjennom realiserbar reduksjoner i tap-med en lett tilgjengelig forbedring av 5 dB ved å integrere mange av kontroll komponentene i oppsettet i én kompakt, lavere tap optisk brikke.
Forbedret kontroll av frekvens-modus blande gjennom bedre målrettet side-bandet etableringen vil gi mer effektiv gates og høyere produksjon priser. Som sannsynlighet spredning avhenger av modulering signal (mønster, frekvens og amplitude) og elektro-optisk modulator spesifikasjoner, må dette være i riket effektivt overlappe moduser (generere side-band) på ønsket blanding frekvenser, krever RF (GHz) signal hastigheter, state-of-the-art spenning forsterkere og lav 
fase modulatorer.
Gjeldende programmerbare filtre er begrenset i spektral båndbredden og oppløsning. utstyr som brukes i den opprinnelige demonstrasjoner hadde en båndbredde fra 1527.4 nm å 1567.5 nm og en oppløsning på 12,5 GHz. Med en mikro-ring FSR 200 GHz gir programmerbare filteret tilgang til 10 signal og 10 idler frekvenser. Dimensionality av disse kvantetilstander kan lett nå verdier upwards av 
(tilsvarende 14 qubits) med fremskritt innen programmerbare filter båndbredde/oppløsning og optisk hulrom FSR — alt uten å øke fotavtrykk av oppsettet .
QFC-plattform som er skissert her, viser vi den generasjon og kontroll av komplekse kvantetilstander i en kompakt, rekonfigurerbare, og praktisk måte. Høydepunktene i vår ordninger er muligheten for høy generasjon priser av ren enkelt fotoner og global drift på alle stater med enkelt komponenter, slik at skalerbarheten i form av masseproduserte, lave kostnader, integrert fotoniske chips og tilgjengelig telekommunikasjon komponenter. Bruke denne QFC plattform, er vesentlige fremgangsmåte gjort quantum informasjonsbehandling teknologier. Quantum kommunikasjon til høye priser er realiserbar med multiplex kanaler, slik at sikre beskjed overføring til svært effektiv priser, mens høy-dimensjonale quantum computing er en utvikling felt som kunne hjelpe overvinne begrensningene til FROLINA-basert beregning37.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Vi takker R. Helsten for teknisk innsikt; P. Kung fra QPS Photronics for hjelp og prosessutstyr; QuantumOpus og N. Bertone OptoElectronics komponenter for deres støtte og for å gi oss med state-of-the-art Foton deteksjonsutstyr. Dette arbeidet ble gjort mulig ved følgende finansiering kilder: naturvitenskap og Engineering Research Council for Canada (NSERC) (Steacie, strategisk, oppdagelse og akselerasjon tilskudd ordninger, Vanier Canada Graduate stipend, USRA stipend); Mitacs (IT06530) og PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI initiativet; Canada stol forskningsprogram; Australsk rådet Discovery prosjekter (DP150104327); EUs horisonten 2020 forskning og innovasjon programmet under Marie Sklodowska-Curie tilskudd (656607); CityU SRG-Fd program (7004189); Strategiske prioritet forskningsprogram av kinesiske Academy of Sciences (XDB24030300); Folk program (Marie Curie handlinger) av EUs FP7 REA grant avtalen innleder (PIOF-GA-2013-625466); Regjeringen i den russiske føderasjonen gjennom ITMO fellesskap og professorat Program (Grant 074-U 01); 1000 talenter Sichuan Program (Kina)
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 |
References
- Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
- Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
- Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604 (2014).
- Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
- 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).
- Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93 (2004).
- Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
- 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).
- Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
- Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
- Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
- Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
- Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236 (2015).
- Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
- Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
- Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731 (2016).
- 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).
- Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940 (2017).
- Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
- Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
- 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).
- Finisar WaveShaper Software. , Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018).
- 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).
- Stocklin, F. Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
- Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
- 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).
- Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100 (2017).
- 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).
- Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884 (2015).
- Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413 (2011).
- 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).
- Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182 (1992).
- Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).
