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Engineering

Génération et un contrôle cohérent des peignes de fréquence pulsée Quantum

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

Un protocole est présenté pour la génération pratique et manipulation cohérente des États de photon de haute dimension fréquence-bin empêtré avec micro intégrés-cavités et composants de télécommunications standard, respectivement.

Abstract

Nous présentons une méthode pour la génération et la manipulation cohérente des peignes de fréquence pulsée quantum. Jusqu'à présent, leurs procédés de préparation des États de grande dimension sur puce de manière pratique ont reste vagues en raison de la complexité croissante des circuits quantiques nécessaires pour préparer et traiter ces États. Ici, nous exposons comment haut-dimensionnels, fréquence-bin enchevêtré, États de deux photons peuvent être générés à un rythme stable, forte génération en utilisant une excitation imbriqués-cavité, activement mode bloqué d’une micro-cavité non linéaire. Cette technique est utilisée pour produire des peignes de fréquence pulsée quantum. Par ailleurs, nous présentons comment les États quantiques peuvent être cohérente manipulé à l’aide de composants de télécommunications standard tels que filtres programmables et modulateurs électro-optiques. En particulier, nous montrons en détail comment accomplir les mesures de caractérisation État tels que la reconstruction de matrice de densité, la détection de la coïncidence et détermination du spectre de photon unique. Les méthodes présentées forment une base accessible, reconfigurable et évolutive pour les protocoles de préparation et la manipulation complexe état de grande dimension dans le domaine fréquentiel.

Introduction

Le contrôle des phénomènes quantiques ouvre la possibilité pour les nouvelles applications dans des domaines aussi variés que sûr quantum communications1, traitement quantique de détection3et2de l’information quantique puissant. Alors qu’une grande variété de plates-formes physiques sont activement recherchées pour les réalisations de quantum technologies4, optique des États quantiques sont candidats importants car ils peuvent montrer fois long cohérence et stabilité du bruit extérieur, excellent caractéristiques de transmission, ainsi que la compatibilité avec l’existant de télécommunications et des technologies de puce (CMOS) de silicium.

Pour pleinement réaliser le potentiel des photons de technologies quantiques, contenu de complexité et d’information État peut être augmenté par l’utilisation de plusieurs parties enchevêtrés ou haute-dimensionnalité. Cependant, la génération sur puce de ces États optiques manque de praticité car configurations sont compliquées, pas parfaitement évolutive ou de l’utilisent de composants hautement spécialisé. Plus précisément, chemin de grande dimension-intrication exige Equation 01 sources identiques avec cohérence et excités et circuits élaborés de faisceau-diviseurs5 (où Equation 01 est la dimensionnalité de l’État), tandis qu’a besoin de temps-enchevêtrement complexe interféromètres multi-bras6. Fait remarquable, le domaine fréquentiel est adapté pour la génération évolutive et le contrôle des États complexes, comme en témoigne sa récente exploitation quantique fréquence peignes (CFQ)7,8 en utilisant une combinaison d’optique intégrée et télécommunications infrastructures9et fournit un cadre prometteur pour les technologies de l’information quantique futurs.

QFCs sur puce sont générés à l’aide des effets optiques non linéaires dans les cavités-micro intégrées. À l’aide d’un tel micro-résonateur non linéaire, deux photons intriqués (remarqués que le signal et idler) sont produites par spontanée mélange à quatre ondes, par l’intermédiaire de l’anéantissement des deux photons d’excitation - avec la paire résultante générée dans une superposition de la cavité modes de fréquence de résonance espacées (Figure 1). S’il y a cohérence entre les modes de fréquences individuelles, un état de fréquence-bin empêtré est formé10, qui est souvent considéré comme un mode bloqué deux photons état11. Cette fonction d’onde État peut être désignée,

Equation 02

Ici, Equation 03 et Equation 04 sont le galet tendeur de fréquence-monomode et signal composantes, respectivement, et Equation 05 est l’amplitude de probabilité pour le Equation 06 paire de mode signal-oisif - th.

Manifestations précédentes de sur puce QFCs soulignent leur polyvalence comme plates-formes d’information quantique viable et comprennent des peignes de photons corrélés12, les photons de polarisation croisée13, les photons intriqués14,15 , 16, multiphotonique déclare15et fréquence-bin empêtré États9,17. Ici, nous fournissons un aperçu détaillé de la plate-forme CFQ et un protocole pour la fréquence de grande dimension-bin empêtré contrôle et génération d’État optique.

Des applications quantiques futures, surtout ceux à être interfacé avec l’électronique à grande vitesse (pour le traitement de l’information en temps opportun), exigent la génération haut débit des États de photons de grande pureté dans une configuration compacte et stable. Nous utilisons un régime cavité activement mode bloqué, imbriqués pour produire QFCs dans les télécommunications à des bandes de fréquence S, C et L. Un anneau en micro est incorporé dans une plus grand laser pulsé cavité, avec gain optique (fourni par un amplificateur à fibre dopée à l’erbium, EDFA) filtrée pour correspondre à l’excitation de micro-anneau bande passante18. Mode de verrouillage est activement réalisé via électro-optiques modulation de la cavité pertes19. Un isolateur assure que la propagation des impulsions suit une direction unique. Le train d’impulsions qui en résulte a de bruit très faible moyenne quadratique (RMS) et présente des taux de redoublement accordable et pouvoirs de l’impulsion. Un filtre haute isolation sépare les photons émis des CFQ du champ d’excitation. Ces photons uniques sont ensuite guidés par l’intermédiaire de fibres pour la détection et de contrôle.

Notre projet est une étape vers un taux de production élevé, source CFQ de faible encombrement, comme tous les composants utilisés peuvent potentiellement être intégrés sur une puce photonique. En outre, excitation puisée est particulièrement bien adaptée pour des applications quantiques. Tout d’abord, en regardant une paire de micro-cavité résonances symétriques à l’excitation, il génère deux photons États où chaque photon est caractérisée par une fréquence unique mode – centrale quantique optique linéaire, calcul20. Ainsi, multiphotonique États peuvent être générés en se déplaçant à des régimes d’excitation puissance plus élevées et en sélectionnant plusieurs paires de signal-galet tendeur15. Deuxièmement, comme les photons sont émis dans les fenêtres de temps connue correspondant à l’excitation puisée, post-traitement et le déclenchement peuvent être implémentées pour améliorer la détection de l’État. Peut-être plus important encore, notre régime supporte des taux de génération haute des États de photons à l’aide de verrouillage de mode harmonique sans pour autant réduire le ratio de coïncidence à-accidentelle (voiture)-qui pourrait ouvrir la voie pour l’information quantique à grande vitesse, multicanal technologies.

Afin de démontrer l’impact et la faisabilité de la fréquentiel, contrôle des CFQ États doit être accomplie de manière ciblée, assurer des transformations très efficaces et la cohérence de l’État. Pour satisfaire ces exigences, nous utilisons des filtres programmables en cascade et modulateurs de phase – composants établies dans l’industrie des télécommunications. Filtres programmables peuvent servir à imposer une amplitude spectrale arbitraire et masque de phase sur les photons uniques, avec une résolution suffisante pour traiter chaque mode fréquence individuellement ; et modulateurs électro-optiques phase conduits par les générateurs de signaux radio-fréquence (RF) facilitent le mélange des composants de fréquence21.

L’aspect le plus important de ce régime de contrôle est qu’il fonctionne sur tous les modes de quantique des photons simultanément dans un seul mode spatial, à l’aide d’éléments de contrôle unique. Augmentant la dimensionnalité de l’état quantique ne conduira pas à une augmentation de la complexité de l’installation, contrairement aux régimes enchevêtrement chemin - ou temps-bin. Ainsi, tous les composants sont extérieurement reconfigurable (c'est-à-dire les opérations peuvent être modifiées sans modifier l’installation) et utiliser l’infrastructure de télécommunications existante. Ainsi, des développements actuels et à venir dans le domaine de traitement optique ultrarapide peuvent être transférées directement au contrôle évolutif des États quantiques dans l’avenir.

En résumé, l’exploitation de la fréquence-domaine de QFCs prend en charge la génération de taux élevé d’états quantiques complexes et leur contrôle et est donc bien adaptée pour le harnachement des États complexes vers les technologies quantiques pratique et évolutif.

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Protocol

1. génération de la fréquence High-dimensional-bin empêtré États par l’Excitation pulsée

  1. En suivant le schéma indiqué dans la Figure 2 (phase de génération), connectez chaque composant à l’aide maintenant la polarisation des fibres optiques (pour améliorer la stabilité environnementale).
  2. Connecter une alimentation sur le modulateur électro-optique amplitude et d’appliquer un décalage de tension CC, réglage de la valeur de décalage jusqu'à ce que la puissance optique transmise par son intermédiaire est réduit de moitié environ (mesuré à l’aide d’un wattmètre optique), par exemple., telle qu’un pic valeur de transmission de 2 mW est réduit de moitié à 1 mW.
  3. Mesurez la longueur approximative de cavité externe. Calculer l’espacement de mode à cavité externe à l’aide de la relation,
    Equation 07
    où Equation 08 est le mode de la cavité externe espacement, c est la vitesse de la lumière dans le vide, Equation 09 est l’indice effectif de la moyenne de la cavité, et L est la longueur de la cavité externe. Par exemple, pour une cavité de 20 m composée de fibre avec un indice de réfraction effectif de 1,46, l’espacement de mode cavité approximative serait 10,2 MHz.
  4. Allumez l’EDFA pour initier l’activité du laser.
  5. Insérez la photodiode rapide dans le programme d’installation à l’attelage de la cavité ou autres ports de l’anneau. Connectez le signal de la photodiode à un oscilloscope pour observer l’intensité du champ de l’excitation dans le domaine temporel.
  6. Réglez la résolution de temps oscilloscope sur < 100 ps (via le bouton échelle horizontale) afin de résoudre les impulsions ns-échelle. À cette étape, sans le modulateur activé, la sortie sur l’oscilloscope montrera opération impulsion instable avec une faible qualité, train d’impulsions de bruit élevé.
  7. Connecter un générateur de fonctions au modulateur électro-optique amplitude. Réglez la fréquence de la sortie de générateur de fonction sur l’espacement de mode à cavité externe (approximative) se trouve au-dessus (ou une harmonique de celui-ci). Ce signal effectue le mode de verrouillage. Choisir soit une impulsion (rectangulaire) forme d’onde ou onde sinusoïdale d’amplitude modulation. Allumez l’appareil.
  8. Syntoniser la fréquence de générateur de fonction RF et DC offset pour optimiser et stabiliser la forme de train d’impulsions sur l’oscilloscope. Si un signal pulsé conduite sert, optimiser son rapport cyclique.
  9. Régler manuellement le gain EDFA pour réduire (ou augmenter) intensité des impulsions au régime où sont les propriétés des photons générés comme souhaité par l’utilisateur (voiture est une mesure utile ici - voir ci-dessous pour plus de détails sur sa mesure). Pour ce faire, comparez les histogrammes de coïncidence respectives générées par l’interface visuelle qui vient avec l’électronique de calendrier.
  10. Alimenter le canal de synchronisation calendrier électronique avec le signal de train d’impulsion (détectée par la photodiode) ou le signal de verrouillage de mode RF pour synchroniser les détecteurs de photon unique avec la génération de paire de photons.
  11. Pour augmenter le taux de production des QFCs, enfoncer le modulateur mode verrouillage en harmoniques supérieures de l’espacement de fréquence à cavité externe tout en augmentant simultanément le gain EDFA afin d’assurer la même puissance par impulsion — cela maintient le photon jumeler la voiture tout en augmenter le taux de production de paire (Figure 3). Pour ce faire, augmentez la fréquence de sortie de générateur de fonction et de gain EDFA respectivement.

2. contrôle de la fréquence High-dimensional-bin empêtré États

  1. En suivant le schéma indiqué dans la Figure 2 (phase de contrôle), connectez tous les composants à l’aide de fibres à maintien de polarisation. En commençant par le filtre dans le système de génération, se connecter en série le premier filtre programmable, modulateur de phase et second filtre programmable. Enfin, connectez les détecteurs de photon unique à des fins de mesure.
  2. Fonctionnement du filtre programmable
    Remarque : Selon la demande/mesure spécifique en cours, les paramètres de contrôle de la CFQ variera et les masques de phase et d’amplitude appliquées aux modes de fréquence doivent être déterminées en conséquence. Le masque d’amplitude peut servir à atténuer ou à bloquer certains modes de fréquence et le masque de phase peut donner un déphasage arbitraire sur chaque mode.
    1. Déterminer les masques nécessaires pour l’application/la mesure désirée.
    2. Par l’intermédiaire de l' interface visuelle de filtre programmable22, réglez l’amplitude des canaux mode fréquence désirée et atténuer toutes les autres.
    3. De même, appliquer le masque de phase (la phase appliquée aux canaux indésirables est sans importance, car ils sont entièrement atténués). Contrôler le filtre programmable avec une interface visuelle où les fréquences souhaitées sont sélectionnées.
  3. Opération de modulation de phase
    1. Modulation de phase, pilotée par un signal périodique, fendre chaque composante spectrale dans des bandes de côté espacés régulièrement par la fréquence du générateur de signaux qui est le moteur le modulateur de phase. Cela permet de mélanger plusieurs modes différents quantique fréquence, analogues avec faisceau-diviseurs spatiales dans les régimes de chemin-enchevêtrement. Dans le régime quantique, modulation de phase électro-optiques est considérée comme un quantum diffusion opération23.
    2. Déterminer les modes de fréquence cible (tributaire de Equation 01 et le mesurage/traitement étant effectué) et calculer le modèle de tension (fréquence et amplitude pour un générateur de signal sinusoïdal) afin d’optimiser la direction désirée Equation 10 valeurs (voir ci-dessous pour certains plus de détails sur cela).
    3. Connecter le générateur de signal à l’amplificateur RF à l’aide de câbles faible perte (comme les câbles SMC). Connectez la sortie de l’amplificateur RF pour le modulateur de phase, également à l’aide de câbles adéquats de RF. Une fois que toutes les extrémités de RF sont connectées et correctement terminées, biaiser l’amplificateur RF.
    4. Veiller à ce que l’amplificateur RF a puissance de sortie suffisant pour conduire le modulateur électro-optique phase avec une tension suffisante pour répondre aux conditions de mélange désirées — Voici l’ordre de plusieurs Equation 11 (la tension de la demi-onde du modulateur de phase). Aussi, assurez-vous que les connecteurs et câbles RF sont adéquates pour la gamme de bande passante et la fréquence du signal conduite.
    5. Régler le générateur de signaux RF (qui est le moteur le modulateur de phase) à une fréquence qui dépasse les modes désirées avec les bandes latérales créées (e.g., 33 GHz).
    6. Allumez le générateur de signaux à mélanger les modes de fréquence.
    7. Pour vérifier que la modulation correcte est appliquée, envoyer un laser à onde continue par le modulateur de phase et vérifiez que le spectre de sortie correspond à la modulation prévue à l’aide d’un analyseur de spectre optique (les paramètres de modulation peuvent être encore optimisé, voir les notes).
      NOTE : Optimiser le mélange des modes de fréquence (détermination de la fréquence de fonctionnement optimal et l’amplitude) est fortement dépendante sur le schéma de mélange désiré, expérimentations en cours et dimensionnalité d’état Equation 01 . Si possible, les systèmes de mélange devraient mélanger modes près le mode de fréquence initiale (à la basse-entier bandes latérales) pour accroître l’efficacité du mélange. Par exemple, si Equation 12 , le mélange est recommandé de se produire à mi-chemin entre les modes deux fréquences (ainsi, la modulation de phase doit être conduite à une fréquence qui a un entier multiple égal à la moitié la fréquence du mode quantique exempt ou espacement Plage spectrale (FSR)). Toutefois, pour Equation 13 , mélange est recommandé de se produire dans le mode de fréquence Centre (phase modulation devrait être conduite à une fréquence par un nombre entier égal multiples à la FSR). Par exemple, avec Equation 13 et micro-cavité Equation 14 GHz, la modulation de phase conduite signal est définie à 33,33 GHz tels que le Equation 15 bande latérale des chevauchements avec les modes de fréquence voisine - tout en laissant aussi une intensité suffisante dans le centre mode de fréquence. Cela se traduit par le chevauchement des bandes latérales voisins modes Equation 16 , Equation 17 et Equation 18 à la mode de fréquence Centre Equation 17 . Figure 4 a visualise un exemple du processus de modulation et les coefficients de bande latérale. Chaque mode de fréquence subit la même modulation de phase et crée la même répartition de la bande latérale, mais centré sur le mode original de fréquence (Figure 4 a). Pour un mode de fréquence unique, les amplitudes de bande latérale sont calculés comme les coefficients d’une série de Fourier24,
      Equation 19
      où Equation 10 est l’amplitude transféré à la Equation 20 latérale -th, Equation 21 est la fréquence à laquelle le modulateur de phase est entraîné à, Equation 22 est le modèle de modulation de phase (périodique avec fréquence Equation 21 ), et Equation 23 est le argument de la fonction de modulation périodique (Equation 24). Pour un signal sinusoïdal de la conduite, Equation 25 , les amplitudes de bandes latérales sont décrits par l’expansion de Jacobi-Anger,
      Equation 26
      Equation 27
      où Equation 28 est le Equation 20 ordre -e fonction de Bessel de première espèce évaluée à Equation 29 et Equation 30 est le déphasage maximum (où Equation 31 est l’amplitude de la tension du signal conduite unique-ton).

3. le traitement de la fréquence High-dimensional-bin empêtré États

  1. Spectre de photon unique
    1. Insérer un détecteur de photon unique suivant le filtrage du champ excitation du CFQ, à la sortie d’un filtre programmable.
    2. Via le logiciel filtre programmable, balayer sur la bande passante de filtre entièrement programmable à l’aide d’un masque amplitude du filtre passe-bande étroit, mesurant les taux de comptage de photons en fonction de la fréquence. Par exemple, si un visuel/contrôle d’interface script de MATLAB est utilisé (ce qui est interfacé avec l’électronique de calendrier et de contrôle de filtre programmable), entrez les valeurs de bande passante du filtre désiré et étape numéro et cliquez sur « Exécuter ». Assurer des temps d’intégration suffisant pour obtenir le bon photon compte.
    3. Pour reconstituer le spectre de ces données, tracer (par exemple, à l’aide d’un script Matlab), le taux de comptage de photons contre la longueur d’onde correspondante (Centre du filtre passe-bande) où ils ont été acquis.
  2. Mesure de coincidences
    1. Pour effectuer une mesure de coincidences, fendu et router le signal et photons oisif pour séparer des détecteurs de photon unique. Si le filtre programmable possède plusieurs ports, utilisez-le pour effectuer la séparation. Sinon, insérez une division de longueur d’onde de dense multiplexeur (DWDM) avant les détecteurs monophotonique et utilisez-le pour acheminer les photons.
    2. Sélectionner un signal et une paire de galets tendeurs (par exemple, les raies de résonance deuxième en ce qui concerne la fréquence d’excitation, le signal-2 et le galet tendeur-2) en utilisant le programmable filtre (via l’interface du logiciel fourni) et les acheminer aux deux détecteurs de photon unique distinct. Par exemple, pour le logiciel WaveManager, cliquez sur le sous-menu Flexgrid, cliquez sur « Ajouter » et entrer dans le port de sortie et de longueur d’onde pour le canal sélectionné22.
    3. Enregistrer l’heure d’arrivée du signal et idlers photons en utilisant le convertisseur temps-numérique. Ces mesures, de calculer le délai entre les deux photons. Tracer un histogramme (par exemple, à l’aide d’un script Matlab) d’une coïncidence compte pour un temps de retard Equation 32 entre le signal et idler — Ceci fournit une mesure de coincidences.
      NOTE : La métrique de voiture compare le nombre d’échelons de véritable coïncidence des paires de photons généré avec les comtes de coincidence accidentelle résultant de processus multiphotonique et comtes sombres.
    4. De la mesure calculée ci-dessus, enregistrer le nombre d’échelons dans le pic de centre (coïncidences découlant des photons produits dans la même impulsion, centrée autour du zéro retard, Equation 33 ) — qui est la valeur d’une coïncidence.
    5. Enregistrer le nombre moyen des chefs d’accusation de chaque côté-PIC (coïncidences de photons produites en différentes impulsions, où Equation 32 est un multiple de l’impulsion en train, c’est à dire., l’inverse de la fréquence de répétition d’impulsions), qui est la valeur accidentelle.
      NOTE : La voiture est tout simplement le rapport entre ces deux valeurs (valeur de valeur ou accidentelle de coïncidence).
  3. Reconstruction de matrice densité
    Remarque : Le processus de reconstruction de matrice densité dépend de plusieurs paramètres de l’état quantique : la dimensionnalité de photons, le nombre de photons, et quels modes sont mesurés. Le nombre de premières mesures requis est égal àEquation 34, oùEquation 01est la dimensionnalité etEquation 35est le nombre de photons. Ainsi, par exemple, une paire de deux photons avec une dimensionnalité duEquation 13Il faudra des 81 Mensurations. Ce protocole définira le processus général de reconstruction de matrice densité, avec des exemples pour une paire deEquation 13photons de fréquence de mode.
    1. Déterminer un ensemble de vecteurs de base pour l’état souhaité et un ensemble de vecteurs de projection (voir ci-dessous pour plus d’informations sur la façon de choisir convenablement ces).
    2. Avec une mesure de coincidences, utilisez soit un filtre programmable ou un signal de voie DWDM et photons oisif pour séparer les détecteurs de photon unique.
    3. Via le logiciel de contrôle du filtre programmable, sélectionner les modes de fréquence désirée et atténuer toutes les autres. Régler la phase des valeurs de masque de réaliser chaque projection wavevector individuellement et d’enregistrer une mesure de coincidences. Il est important de laisser le même temps d’intégration entre les comtes de coïncidence de projection différente.
    4. À l’aide d’un script informatique personnalisé, calculer la matrice densité des photons utilisant les mesures de comptage coïncidence brute de chaque projection wavevector (voir ci-dessous pour les détails pertinents de calculs).
      Remarque : Lors de la détermination des vecteurs de base pour la mesure de la matrice densité, ils doivent répartir l’espace d’État. Dans le cas de l’exemple, les vecteurs de base sont
      Equation 36
      Pour un état Equation 37 , la matrice densité décrit l’état quantique,
      Equation 38
      La matrice densité pour n’importe quel système physique réelle doit être une matrice hermitienne définie positive -, mais à cause du bruit, cela ne peut pas toujours être le cas. Dans le cas d’exemple avec la base choisie, le wavevector pour l’état idéal de fréquence-empêtré au maximum peut être représenté comme
      Equation 39
      et donc, la matrice densité théorique serait :
      Equation 40
      Mesures de projection sont faites sur une série de projection wavevectors, Equation 41 . Comtes de coïncidence pour chaque projection sont donnés comme,
      Equation 42
      où Equation 43 est une constante (voir définition ci-dessous).
    5. Choisissez un ensemble orthogonal de Equation 44 , normalisé des matrices, Equation 45 , de sorte que
      Equation 46
      où Equation 47 est la trace, Equation 01 est la dimension, Equation 35 est le nombre de photons, et Equation 48 est la fonction delta de Kronecker. Ces matrices peuvent être construits à l’aide de spécial unitaire SU (Equation 01) groupes électrogènes (il y en a Equation 49 ), ainsi que la matrice d’identité, par le biais de tous les possibles tenseur produit combinaisons25. Voir ci-dessous pour les matrices orthogonales de l’affaire de l’exemple.
    6. Reconstruire la matrice densité, Equation 50 , par les relations suivantes,
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      où Equation 55 est le photon compte pour les Equation 56 vecteur de projection -th, Equation 57 sont les vecteurs de projection (voir étape suivante), où Equation 58 et Equation 59 sont calculées conformément à la définition de l’équation.
      Remarque : Wavevectors de Projection pour le cas de l’exemple sont,
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      Expérimentalement, ces wavevectors sont réalisées en conférant une le décalage approprié sur chaque mode via le filtre programmable. Se référer à la précédente publication25 pour la discussion sur les vecteurs de la projection. L’ensemble orthogonal de matrices, Equation 69 pour l’exemple de cas sont choisis tout d’abord en utilisant les générateurs de su (3) ainsi que la matrice d’identité,
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      et sont calculés comme,
      Equation 79
    7. Pour une discussion plus approfondie de la reconstruction de l’état de grande dimension, consultez Référence 25 25.

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Representative Results

Le schéma décrit pour la génération et le contrôle des États de grande dimension fréquence-bin (basé sur l’excitation des cavités micro non linéaires, Figure 1) est montré dans la Figure 2. Cette configuration utilise les composants de télécommunications standard et est très flexible dans le taux de production de photons et les traitements appliqués. La figure 3 montre la caractérisation du régime génération à travers le taux de coïncidence et la voiture en fonction de la fréquence de répétition, ce qui démontre que la production de paires de photons peut être augmentée sans diminuer la voiture. Dans la section de contrôle, filtres programmables et modulateurs de phase (Figure 4 a) permettent un contrôle cohérent des fonctions d’onde des photons. Un tel système de contrôle est utilisé pour exécuter tomographie de l’état quantique d’un Equation 13 , système de deux photons de reconstruire la matrice densité d’État, comme illustré à la Figure 4 b. Les résultats démontrent excellent accord entre les États mesurées et maximalement intriqués, avec une fidélité atteinte de 80,9 %.

Figure 1
Figure 1 : génération de peigne de fréquence quantique pulsé. Un champ pulsé excite une résonance de cavité micro non linéaire unique (vert). Mélange à quatre ondes spontanée intervient dans l’anéantissement des deux photons de l’excitation spectrale-mode et la génération de deux photons de fille, appelé signal et idler (rouge et bleu), spectralement symétrique à l’excitation. La paire de photons est également dans une superposition quantique des modes fréquence définie par les résonances, telle que dans la base définie par l’État hamiltonien, la fonction d’onde est représentée par une somme normalisée des vecteurs propres fréquences-mode symétrique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : plate-forme pour la production de l’état de quantum grande dimension pratique et contrôle. Le micro-anneau résonateur26,27 est incorporé dans une cavité externe, plus grande. Cette cavité externe comprend un modulateur d’amplitude d’electro-optique active pilotée par un générateur de signaux, un composant optique de gain et un filtre passe-bande étroit, avec le dernier limitant la pulsion d’excitation circulant à une bande passante correspondant à un seul micro-cavité résonance. Peignes de fréquence quantique générées par le biais de ce schéma (Figure 1) sont filtrés à partir du champ d’excitation et de passent à l’étape de contrôle via un filtre. Ici, une concaténation de filtres programmables et modulateurs électro-optiques phase (pilotés par un signal amplifié provenant d’un générateur de signaux RF) peut être utilisée pour manipuler l’État. Dans l’étape de traitement, le galet tendeur et les photons de signal sont acheminés pour séparer les détecteurs monophotonique utilisant un DWDM et la temporisation est mesurée en utilisant chronométrage électronique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : le taux mesuré par hasard (en haut) et la coïncidence à accidentelle ratio (voiture) (en bas) pour les paires de photons correspondant aux modes de fréquence signal-2 et galet tendeur-2 en fonction de l’augmentation des taux de redoublement pour harmoniquement verrouillé en mode pulsé excitation. Les pouvoirs de forme et de la crête impulsion ont été maintenues pour les taux de redoublement différents, le taux de coïncidence a été constaté à croître linéairement, tandis que la voiture a été en grande partie préservée. La légère diminution dans la voiture et sa diminution linéaire imparfaite est imputable aux petites déviations de la puissance d’excitation ciblées. Les barres d’erreur correspondant à l’écart calculé pour cinq mesures. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : la génération de bandes latérales via électro-optiques modulation de phase (en haut) et exemple densité matrice reconstruction pour D = 3 (en bas). (un) fréquence bande latérale génération par un modulateur électro-optique en fonction de la fréquence Equation 80 , avec des bandes de côté espacées par la fréquence du signal modulant, Equation 81 . FSR : exemple gratuit plage spectrale d’un résonateur de micro-anneau. (b), à la reconstruction de matrice densité expérimentale d’une D = 3 État de deux photons de fréquence-bin empêtré (réels et imaginaires parties à gauche et à droite, respectivement). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Le domaine fréquentiel optique, via QFCs, est avantageux dans les applications quantique pour une multitude de raisons. Opérations sont globale, agissant sur tous les États en même temps, qui se traduit par un design qui n’évolue pas dans la taille ou la complexité comme les augmentations de dimensionnalité État. Ceci est renforcé car les composants peuvent être reconfiguré à la volée sans modifier la configuration et sont susceptibles d’être intégrés sur puce en exploitant existants et/ou de développement d’infrastructures de fabrication de semi-conducteurs et les télécommunications. Les techniques de génération pourraient également être adoptées pour autres micro-cavités optiques — tels que micro-disques29, cristal photonique guides d’ondes30,31, etc., second ordre non linéaire micro cavités28.

Les progrès dans le système d’excitation ouvrira la voie pour fortes cadences, nécessaires pour le traitement des demandes de l’information quantique. Alors que le taux de production de notre système de production peut être augmenté en mode de verrouillage à des fréquences harmoniques, bruit de supermode peut conduire à des instabilités à ces taux plus élevés de redoublement. Suppression de ce bruit pourrait être accomplie avec des techniques telles que la cavité longueur modulation32,33, compensation non linéaire34et haut-finesse supermode filtrage techniques35,36.

Améliorations dans le système entraîneront encore plus haut taux de production de photons. Les pertes totales pour la partie contrôle était de 14,5 dB (1 dB pour le filtre de notch, 4,5 dB pour le premier filtre programmable, 3,5 dB pour le modulateur de phase et 4,5 dB pour le second filtre programmable). Taux de production pourraient être accru plusieurs fois par le biais de réductions réalisables en pertes – avec une amélioration facilement disponible de 5 dB en intégrant de nombreux éléments contrôle utilisés dans l’installation en une seule puce optique compacte, basse perte.

Amélioration du contrôle de la fréquence mode mixage par mieux ciblée création de bande latérale fournira gates plus efficaces et des taux plus élevés de production. Comme la diffusion de probabilité dépend de la modulation signal (modèle, fréquence et amplitude) et les spécifications de modulateur électro-optique de conduite, ceux-ci doivent être dans le Royaume se chevaucher efficacement des modes (générer des bandes latérales) dans le mélange désiré fréquences — obligeant RF (GHz) vitesses de signal, amplificateurs de tension de l’état-of-the-art et faible Equation 11 modulateurs de phase.

Filtres programmables actuelles sont limitées dans la bande spectrale et de la résolution ; l’équipement utilisé dans les manifestations d’originales avait une bande passante de 1527.4 nm 1567.5 nm et une résolution de 12,5 GHz. Avec un micro-anneau FSR de 200 GHz, ce filtre programmable donne accès à 10 signal et 10 fréquences oisif. La dimensionnalité de ces états quantiques pourrait facilement atteindre des valeurs upwards de Equation 82 (correspondant à autant de 14 qubits) grâce aux progrès programmable filtre bande passante/résolution et cavité optique FSR — tout cela sans augmenter l’encombrement de l’installation .

Avec la plate-forme CFQ décrite ici, nous démontrons la génération et le contrôle des États quantiques complexes de manière pratique et compact, reconfigurables . Les points forts de nos régimes sont la capacité pour les taux de forte génération de photons uniques pures et opération globale sur tous les États avec des composants uniques, ce qui permet une évolutivité sous forme de puces photoniques fabriqués en série, abordable, intégrés et accessible composants de télécommunications. En utilisant cette plateforme CFQ, des mesures importantes sont faites vers le traitement des technologies de l’information quantique. La communication quantique à des taux élevés est réalisable avec des voies multiplexées, permettant aux informations sécurisées, transfert à des taux très efficaces, alors que l’informatique quantique de grande dimension est un domaine en développement qui pourrait aider à surmonter les limitations de base qubit 37de calcul.

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Acknowledgments

Nous remercions les idées techniques ; R. Helsten P. Kung de QPS Photronics pour l’aide et l’équipement de traitement ; ainsi que QuantumOpus et N. Bertone de composants optoélectroniques pour leur soutien et nous fournissant de l’équipement de détection de photon de l’état-of-the-art. Ce travail a été rendu possible par les sources de financement suivantes : Sciences naturelles et génie recherche Conseil du Canada (CRSNG) (Steacie, stratégique, découverte et les régimes de subventions accélération, études supérieures du Canada Vanier, USRA bourse) ; MITACS (IT06530) et PBEEE (207748) ; MESI PSR-SIIRI Initiative ; Programme Canada Research Chair ; Projets de découverte du Conseil de recherche australien (DP150104327) ; Recherche de Horizon 2020 de l’Union européenne et le programme d’innovation en vertu de la Marie Sklodowska-Curie accordent (656607) ; Programme CityU SRG-Fd (7004189) ; Programme de recherche stratégique prioritaire de l’Académie chinoise des Sciences (XDB24030300) ; Programme « personnes » (Actions Marie Curie) du Programme FP7 de l’Union européenne en vertu de la Convention de subvention REA INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466) ; Gouvernement de la Fédération de Russie par le biais de l’ITMO Fellowship et programme de professorat (subvention 01 074-U) ; Programme de 1000 talents du Sichuan (Chine)

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

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References

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Génération et un contrôle cohérent des peignes de fréquence pulsée Quantum
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