Waiting
Login processing...

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

Engineering

Generation och konsekvent kontroll av pulsad Quantum frekvens kammar

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

Ett protokoll presenteras för praktiska generering och sammanhängande manipulation av högdimensionella frekvens-bin intrasslad photon stater med integrerad mikro-håligheter och standard telekommunikation komponenter, respektive.

Abstract

Vi presenterar en metod för generering och sammanhängande manipulation av pulsad quantum frekvens kammar. Fram tills nu har förblivit metoder för att förbereda högdimensionella staterna på-chip på ett praktiskt sätt svårfångad på grund av den ökande komplexiteten i den quantum kretsar behövs för att förbereda och behandla sådana stater. Här, vi beskriver hur hög-dimensionell, frekvens-bin intrasslad, två-photon stater kan genereras med en stabil och hög generation hastighet genom att använda en kapslad-hålighet, aktivt läge-låst excitation av en ickelinjär mikro-hålighet. Denna teknik används för att producera pulsad quantum frekvens kammar. Dessutom presenterar vi hur kvanttillstånd kan vara konsekvent manipuleras med standard telekommunikation komponenter såsom programmerbara filter och Elektro-optisk modulatorer. I synnerhet visar vi i detalj hur man utför staten karakterisering mätningar såsom densitet matris återuppbyggnad, slump upptäckt och single photon spektrum beslutsamhet. Presenterade metoderna utgör en tillgänglig, omkonfigurerbara och skalbara stiftelse för komplexa högdimensionella staten förberedelser och manipulation protokoll i frekvensplanet.

Introduction

Kontroll av kvantfenomen öppnar möjligheten för nya tillämpningar inom områden som är så mångskiftande som säkert quantum kommunikation1, kraftfull quantum informationsbehandling2och quantum avkänning3. Medan en mängd fysiska plattformar är aktivt som forskat för genomförandena av quantum technologies4, är optisk kvanttillstånd viktigt kandidater som de kan uppvisa lång samstämmighet gånger och stabilitet från yttre buller, utmärkt överföring egenskaper, samt kompatibilitet med befintliga telekommunikation och kisel chip (CMOS) teknik.

Mot fullt insåg potentialen i fotoner för kvantteknik, kan staten komplexitet och informationsinnehåll ökas med hjälp av flera intrasslad parterna och/eller hög-dimensionalitet. Dock saknar på-chip generering av sådana optiska stater funktionalitet som uppställningar är komplicerade, inte helt skalbara, och/eller använda specialiserad komponenter. Högdimensionella sökväg-entanglement kräver specifikt, Equation 01 ett konsekvent-upphetsad identiska källor och genomarbetade kretsar av balk-splitters5 (där Equation 01 är den statliga dimensionalitet), medan tid-entanglement behöver komplexa flera arm interferometrar6. Anmärkningsvärt, frekvens-domänen är väl lämpad för skalbara generering och kontroll av komplexa stater, vilket framgår av dess senaste utnyttjande i quantum frekvens kammar (QFC)7,8 med en kombination av integrerad optik och telekommunikation infrastrukturer9, och ger en lovande ram för framtida quantum informationsteknik.

På-chip QFCs genereras med hjälp av olinjära optiska effekter i integrerade mikro-håligheter. Med sådan en ickelinjär mikro-resonator, produceras två snärjda fotonerna (noteras som signal- och kugghjul) av spontana fyra-våg blandning, via förintelse av två excitation fotoner - med den resulterande par som genereras i en överlagring av hålrummets jämnt fördelade resonant frekvens lägen (figur 1). Om det finns samstämmighet mellan lägena individuella frekvens, är en frekvens-bin intrasslad stat bildade10, som benämns ofta som ett låst läge-två photon stat11. Denna stat våg-funktion kan beskrivas av,

Equation 02

Här, Equation 03 och Equation 04 är single-frekvens-mode kugghjulets och signal komponenter, respektive, och Equation 05 är sannolikheten amplituden för den Equation 06 -th signal-kugghjul läge par.

Tidigare demonstrationer av på-chip QFCs markera sin mångsidighet som livskraftig quantum informationsplattformar, och inkluderar kammar korrelerade fotoner12, cross-polariserade fotoner13, snärjda fotonerna14,15 , 16, multi photon anges15och frekvens-bin intrasslad stater9,17. Här, vi ger en detaljerad översikt över QFC plattformen och ett protokoll för högdimensionella frekvens-bin intrasslad optiska staten generation och kontroll.

Framtida quantum applikationer, speciellt de till vara gränssnitt med höghastighetståg elektronik (för aktuell informationsbearbetning), kräver hög ränta generering av hög renhet photon stater i en kompakt och stabil setup. Vi använder ett system för aktivt läge-låst, kapslade hålighet för att producera QFCs inom telekommunikation S, C och L frekvensband. En mikro-ring är införlivat en större pulsad laser hålighet, med optisk förstärkning (tillhandahålls av en erbium-dopade fiberförstärkare, EDFA) filtreras för att matcha de mikro-ring excitation bandbredd18. Läge-låsning realiseras aktivt via Elektro-optisk modulering av hålighet förluster19. En isolator säkerställer att puls förökning följer en riktning. Resulterande puls tåget har mycket låga kvadratiska medelvärdet (RMS) buller och utställningar avstämbara upprepning priser och puls befogenheter. En hög isolering notch filter avskiljer den utsända QFC fotoner från fältet excitation. Dessa enstaka fotoner leds sedan genom fibrer för kontroll och upptäckt.

Våra system är ett steg mot en hög generation-hastighet, liten-fotavtryck QFC källa, eftersom alla komponenter som används kan potentiellt integreras på ett fotoniska chip. Dessutom är pulsade magnetisering särskilt väl lämpad för quantum applikationer. Först genererar tittar på ett par mikro-cavity resonanser symmetrisk till magnetiseringen, det två-photon stater där varje foton kännetecknas av en enda frekvens läge – central för linjär optiska quantum datoranvändning20. Också, kan flera photon stater genereras genom att flytta till högre makt excitation regimer och välja flera signal-kugghjul par15. Andra, som fotoner sänds i kända tidsfönster som motsvarar den pulsade magnetiseringen, efterbearbetning och gating kan genomföras för att förbättra staten upptäckt. Kanske mest påtagligt, stöder vårt system hög produktion priser av fotonen stater använder harmoniska läge-låsning utan att minska slump-till-oavsiktlig förhållandet (bil) – som kan bana väg för höghastighetståg, Multi-Channel kvantinformation tekniker.

För att demonstrera effekt och genomförbarheten av frekvens-domänen, skall kontroll av QFC staterna utföras i målinriktat sätt, garanterar högeffektiv transformationer och staten konsekvens. För att tillfredsställa dessa krav, använder vi överlappande programmerbara filter och fas modulatorer – etablerade komponenter i telekombranschen. Programmerbara filter kan användas för att införa en godtycklig spektrala amplitud och fas mask på enda fotonerna, med en upplösning som är tillräckliga för att lösa varje frekvens läge individuellt; och electro-optic fas modulatorer drivs av radiofrekvens (RF) Signalgeneratorer underlätta blandning av frekvens komponenter21.

Den viktigaste aspekten av denna kontrollsystem är att det fungerar på alla quantum lägen av fotonerna samtidigt i en enda spatialt läge, med enkel kontrollelement. Öka det Kvantmekaniskt tillstånd dimensionalitet kommer inte att leda till en ökning av setup komplexiteten, i motsats till väg - eller gång-bin entanglement system. Liksom, alla komponenter är externt omkonfigurerbara (menande verksamheten kan ändras utan ändring av inställningarna) och använda befintlig infrastruktur för telekommunikation. Således, befintliga och kommande utvecklingen inom fältet för ultrasnabb optisk bearbetning kan direkt överföras till skalbara kontroll av kvanttillstånd i framtiden.

Sammanfattningsvis, utnyttjande av frekvens-domänen av QFCs stöder hög ränta generering av komplexa kvanttillstånd och deras kontroll, och således är väl lämpad för utnyttjandet av komplexa stater mot praktiska och skalbar kvantteknik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. generation av högdimensionella frekvens-bin intrasslad stater via pulsad magnetisering

  1. Efter systemet beskrivs i figur 2 (Generation arrangerar), Anslut varje komponent med polarisering-underhålla optiska fibrer (för förbättrad miljö stabilitet).
  2. Ansluta en strömförsörjning till Elektro-optisk amplitud modulatorn och tillämpa en DC spänning offset, tuning förskjutningsvärdet tills den optiska effekt som överförs via det ungefär halveras (mätt med hjälp av en optisk kraftmätare), t.ex., så att en topp överföring värdet 2 mW halveras till 1 mW.
  3. Mäta den ungefärliga externa hålighet längden. Beräkna externa hålighet läge avståndet med hjälp av förhållandet,
    Equation 07
    där Equation 08 är externa hålighet läget avstånd, c är ljushastigheten i vakuum, Equation 09 är effektiv index av hålighet medium, och L är den externa hålighet längden. Till exempel för en 20 m hålighet består av fiber med ett effektivt brytningsindex 1,46, skulle ungefärliga hålighet läge avståndet vara 10,2 MHz.
  4. Slå på EDFA att starta lasern.
  5. Den snabba fotodioden för in installationen på antingen hålighet kopplingen eller andra ring-portar. Anslut fotodiod signalen till ett oscilloskop att iaktta excitation fältets intensitet i tid-domänen.
  6. Ställ in upplösningen med oscilloskop tid < 100 ps (genom den horisontella skalan knoppen) för att lösa de ns-skala pulserna. I detta steg, visar utan modulatorn aktiveras utgången på oscilloskopet instabil pulse drift med låg kvalitet, högt buller puls tåg.
  7. Anslut en funktionsgenerator till Elektro-optisk amplitud modulatorn. Ställa in frekvensen av funktionen generera utdata (ungefärliga) externa hålighet läge avståndet ovanför (eller en harmonisk av det). Denna signal utför den mode-låsningen. Välj antingen en puls (rektangulär) vågform eller sinus våg för amplitudmodulering. Slå på den funktion generatorn.
  8. Tune RF funktion generator frekvens och DC offset att optimera och stabilisera formen puls tåg på oscilloskopet. Om en pulsad körning-signal används, optimera dess arbetscykel.
  9. Manuellt justera EDFA förstärkning för att minska (eller öka) puls intensitet att regimen där egenskaperna för den genererade fotoner är som önskas av användaren (bil är ett användbart mått här - se nedan för detaljer om sin mätning). För detta, jämför respektive tillfällighet histogrammen genereras av det visuella gränssnittet som kommer med timing elektronik.
  10. Mata den timing elektronik sync kanalen med puls tåg signalen (upptäcks av en fotodiod) eller RF-läge-låsning signalen att synkronisera single photon detektorerna med photon par generationens.
  11. För att öka QFCs generationen, drive-läge-låsning modulatorn på högre övertoner av externa hålighet frekvens avståndet medan samtidigt utöka EDFA vinsten för att säkerställa samma kraft per puls — detta upprätthåller fotonen para ihop bil medan öka andelen parbildning (figur 3). För detta, öka funktion generator utfrekvensen och EDFA vinna respektive.

2. kontroll av högdimensionella frekvens-bin intrasslad stater

  1. Efter systemet beskrivs i figur 2 (kontroll arrangerar), ansluta alla komponenter med polarisering-underhålla fibrer. Början från ett notchfilters i generation systemet, ansluter i serien först programmerbara filter, fas modulator och andra programmerbara filtret. Slutligen Anslut single photon detektorerna för mätning.
  2. Programmerbara filter drift
    Obs: Beroende på specifika program/mätning som utförs, QFC styrparametrar varierar och fas och amplitud maskerna tillämpas på lägena frekvens måste bestämmas med detta. Amplitud masken kan användas för att dämpa eller blockera vissa frekvens lägen och fas masken kan sprida en godtycklig fasförskjutning på varje läge.
    1. Fastställa de nödvändiga maskerna för önskad ansökan/mätning.
    2. Via den programmerbara filter visuella gränssnitt22, ställa in amplituden av önskad frekvens läge kanalerna och dämpa alla andra.
    3. Likaså gäller fas masken (fasen tillämpas till oönskade kanaler är oviktigt, eftersom de är fullt försvagade). Kontrollera programmerbara filtret med ett visuellt gränssnitt där de önska frekvenserna väljs.
  3. Fas modulering drift
    1. Med fas-modulation, driven av en periodisk signal, dela varje spektrala komponent i sida-band jämnt fördelade av frekvensen av signalgenerator som driver fas modulatorn. Används för att blanda flera olika quantum frekvens lägen, analogt med rumsliga beam-splitters i sökvägen-entanglement system. I quantum regimen anses Elektro-optisk fas modulering en quantum spridning drift23.
    2. Avgöra målet frekvens lägen (beroende av Equation 01 och mätning/bearbetning som utförs) och beräkna spänning mönstret (frekvens och amplitud för en sinus våg generator) för att optimera önskad Equation 10 värden (se nedan för några information om detta).
    3. Anslut den signal generatorn till RF-förstärkare med low-loss kablar (till exempel SMC kablar). Anslut RF-förstärkarutgången till fas modulatorn, också med adekvat RF kablar. När alla RF ändar är anslutna och terminerats korrekt, bias RF-förstärkare.
    4. Se till att RF-förstärkare har tillräcklig uteffekt att köra Elektro-optisk fas modulatorn med tillräcklig spänning att uppfylla villkoren för önskad blandning — dessa är på order av flera Equation 11 (halv-våg spänning fas modulatorn). Kontrollera också att RF kablar och kontakter är lämpliga för bandbredd och frekvens spänna av drivande signalen.
    5. Ange den RF signalgenerator (som driver fas-modulator) på en frekvens som överlappar de önskade lägen med skapade sida-band (t.ex., 33 GHz).
    6. Slå på den signal generatorn att blanda lägena frekvens.
    7. Kontrollera att rätt modulering tillämpas, skicka en continuous-wave laser genom fas modulatorn och kontrollera att utdata spektrumet motsvarar den avsedda modulering som använder en optisk spektrumanalysator (modulering parametrar kan vara ytterligare optimerad, se not).
      Obs: Optimera blandning av frekvens lägen (fastställande av optimal funktion frekvens och amplitud) är starkt beroende av önskad blandning stödordningen, experiment som utförs och statligt dimensionalitet Equation 01 . Om möjligt bör de blandande system blanda lägen nära ursprungliga frekvens-läge (på låg-heltal sidebandsna) för att effektivisera blandning. Till exempel om Equation 12 , blandning rekommenderas att ske halvvägs mellan lägena två frekvens (således fas moduleringen bör drivas på en frekvens som har ett heltal flera lika med halva quantum läge frekvensen radavstånd, eller gratis spektralområde (FSR)). Men för Equation 13 , blanda rekommenderas att uppstå i center frekvens läge (fas modulering borde drivas på en frekvens med ett heltal flera lika till FSR). Exempelvis med Equation 13 och mikro-hålighet Equation 14 GHz, fas moduleringen körning signal är inställd på 33.33 GHz så att den Equation 15 sidebanden överlappar med närliggande frekvens lägen - medan också tillräcklig intensitet i mitten frekvens-läge. Detta resulterar i överlappningen av sidebandsna angränsande lägen Equation 16 , Equation 17 och Equation 18 på center frekvens funktionsläget Equation 17 . Figur 4a visualiserar ett exempel av modulering processen och sidebanden koefficienterna. Varje frekvens läge genomgår samma fas moduleringen och skapar samma sidebanden fördelning, men centrerad om det ursprungliga frekvens-läget (figur 4a). För en enda frekvens läge beräknas sidebanden amplituderna som koefficienter av en Fourierserier24,
      Equation 19
      där Equation 10 är amplituden överförs till den Equation 20 -th sidebanden, Equation 21 är den frekvens som fas modulatorn drivs på, Equation 22 är fas modulering mönster (periodiska med frekvens Equation 21 ), och Equation 23 är den argumentet för funktionen periodiska modulering (Equation 24). För en sinusformad drivande signal, Equation 25 , sidband amplituderna beskrivs av Jacobi-ilska expansion,
      Equation 26
      Equation 27
      där Equation 28 är den Equation 20 : te ordningen Bessel-funktion av den första sorten utvärderas på Equation 29 och Equation 30 är maximal fasförskjutning (där Equation 31 är spänning amplituden av signalen enkelverkande körning).

3. bearbetningen av högdimensionella frekvens-bin intrasslad stater

  1. Single photon spektrum
    1. Infoga en enda photon detektor efter filtrering av fältet excitation från QFC, vid utgången av ett programmerbart filter.
    2. Via den programmerbara filter programvaran, svep över fullt programmerbara filtret bandbredd med hjälp av en smal bandpass filter amplitud mask, mäta fotonen räkna priser som funktion av frekvens. Till exempel om ett visuellt gränssnitt/kontroll skript i MATLAB används (som kopplas ihop med programmerbara filterkontrollen och timing elektronik), ange önskat filter bandbredd värden och steg nummer och klicka på ”Kör”. Säkerställa tillräcklig integration tid att få ordentlig photon räknas.
    3. För att rekonstruera spektrat från dessa data, rita (exempelvis med hjälp av Matlab skript) de fotonen räkna priserna mot motsvarande våglängd (bandpass filtrera center) där de har förvärvats.
  2. Tillfällighet mätning
    1. För att utföra en tillfällighet mätning, split och rutt signalen och lätting fotoner till separata single photon detektorer. Om filtret programmerbara har flera portar, använda den för att utföra separation. Annars, infoga en tät-våglängd division multiplexer (DWDM) före single photon detektorerna och använda detta för att dirigera fotonerna.
    2. Välj en signal och lätting par (till exempel andra resonans linjer med avseende på excitation frekvens, signal-2 och kugghjul-2) med hjälp av de programmerbara filtrera (via medföljande programvarugränssnitt) och vidarebefordrar dem till två separata single photon detektorer. Exempelvis för WaveManager programvaran, klicka på undermenyn Flexgrid, klicka på ”Lägg till” och ange den våglängd och utgående porten för den valda kanal22.
    3. Spela in ankomsttiden för signalen och lätting fotoner med den tid-till-digital-konverteraren. Från dessa mätningar, beräkna tidsfördröjningen mellan de två fotonerna. Rita ett histogram (exempelvis med hjälp av Matlab skript) av slump räknar för en tidsfördröjning Equation 32 mellan signalen och kugghjul – detta ger en tillfällighet mätning.
      Obs: Bil måttet jämför antalet sant tillfällighet räknas från genererade photon paren med oavsiktlig tillfällighet räkningarna uppkommer flera photon processer och mörka räknas.
    4. Från ovan-beräknas mätningen, registrera antalet räknas i den center-toppen (sammanträffanden som härrör från fotoner som produceras i samma puls, centrerad kring noll fördröjning, Equation 33 ) — vilket är värdet tillfällighet.
    5. Registrera det genomsnittliga antalet räknas i varje sida-topp (sammanträffanden av fotoner som produceras i olika pulser, där Equation 32 är en multipel av pulsen träna period, dvs., inversen av upprepning pulsen), som är oavsiktlig värdet.
      Obs: Bilen är helt enkelt förhållandet av dessa två värden (tillfällighet värde/tillfällig värde).
  3. Densitet matris återuppbyggnad
    Obs: Processen för densitet matris återuppbyggnad beror på flera parametrar för Kvantmekaniskt tillstånd: dimensionerna av fotonerna, antalet fotoner, och vilka lägen mäts. Antalet råa mätningar som krävs är lika medEquation 34, därEquation 01är dimensionerna ochEquation 35är antalet fotoner. Så, till exempel ett två-photon par med en dimensionerna avEquation 13kommer att kräva 81 mätningar. Detta protokoll kommer att redogöra för den allmänna processen för densitet matris återuppbyggnad, med exempel för ett parEquation 13frekvens-läge fotoner.
    1. Fastställa en uppsättning basvektorer för önskad staten och en uppsättning projektion vektorer (se nedan för detaljer om hur man på lämpligt sätt väljer dessa).
    2. Med en tillfällighet mätning, Använd antingen ett programmerbart filter eller en DWDM rutt signal och lätting fotoner för att separera single photon detektorer.
    3. Via programmerbara filter programvarukontroll, välja önskad frekvens lägen och dämpa alla andra. Ange fasen mask värden att förverkliga varje projektion wavevector individuellt och spela in en tillfällighet mätning. Det är viktigt att tillåta samtidigt integration mellan olika projektion tillfällighet räknas.
    4. Använda en anpassad dator skript, beräkna densitet matris av fotonerna använder raw tillfällighet antal mätningar av varje projektion wavevector (se nedan för relevanta computational Detaljer).
      Obs: Vid bestämning av basvektorer för densitet matrix mätning, måste de spänner det statliga utrymmet. För till exempel fall är de grund vektorerna
      Equation 36
      För en stat Equation 37 , densitet matrisen beskriver Kvantmekaniskt tillstånd,
      Equation 38
      Matrisen densitet vara för alla riktiga fysiska system måste vara en positiv-bestämd, hermitesk matris - men på grund av buller, detta kan inte alltid fallet. I exempelfallet med den valda grunden representeras wavevector för perfekt maximally frekvens-intrasslad staten som
      Equation 39
      och således den teoretiska density matrisen skulle vara:
      Equation 40
      Projection mätningar utförs på en serie av projektion wavevectors, Equation 41 . Tillfällighet räknas för varje projektion ges som,
      Equation 42
      där Equation 43 är en konstant (se nedan för definition).
    5. Välj en ortogonal uppsättning Equation 44 , normaliserade matriser, Equation 45 , sådan att
      Equation 46
      där Equation 47 är tracen, Equation 01 är dimensionen, Equation 35 är antalet fotoner, och Equation 48 är funktionen Kronecker delta. Dessa matriser kan konstrueras med hjälp av den speciella enhetlig SU (Equation 01) generatorer (som det finns Equation 49 ), tillsammans med matrisen identitet genom alla möjliga tensor produkt kombinationer25. Se nedan för de ortogonala matriserna av exempelfallet.
    6. Rekonstruera den density matrisen, Equation 50 , via följande förhållanden,
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      där Equation 55 är fotonen räknas för den Equation 56 -th projektion vektor, Equation 57 är projektion vektorer (se nästa steg), där Equation 58 och Equation 59 beräknas enligt ekvation definitionen.
      Obs: Projektion wavevectors för exempelfallet är,
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      Experimentellt, realiseras dessa wavevectors med specialinriktade lämpliga fasförskjutning på varje läge via programmerbara filtret. Se föregående publikation25 för diskussion om projektion vektorer. Den ortogonala uppsättningen matriser, Equation 69 för exempel fall väljs först använder de SU(3) generatorerna tillsammans med matrisen identitet
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      och beräknas som
      Equation 79
    7. För en fördjupad diskussion av högdimensionella staten rekonstruktion, se referens 25 25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Konturerad systemet för generering och kontroll av högdimensionella frekvens-bin stater (baserat på excitation av ickelinjära mikro-håligheter, figur 1) visas i figur 2. Denna inställning använder standard telekommunikation komponenter och är mycket flexibel i photon produktionstakten och förädlingsprocesserna tillämpas. Figur 3 visar karakterisering av generation systemet genom tillfälligheten hastighet och bilen som funktion av upprepning, visar att produktionen av fotonen par kan ökas utan att minska bilen. I avsnittet tillåta programmerbara filter och fas modulatorer (figur 4A) konsekvent kontroll av de photon vågfunktioner. Sådan en kontrollprogram för att utföra Kvantmekaniskt tillstånd tomografi av en Equation 13 , två-photon system att rekonstruera den statliga density matrisen, som visas i figur 4B. Resultaten visar utmärkt överenskommelse mellan uppmätta och maximally intrasslad, med en uppnådda trohet 80,9%.

Figure 1
Figur 1: pulsade quantum frekvens kam generation. Ett pulserande fält upphetsar en enda ickelinjära mikro-cavity resonans (grön). Spontan fyra-våg blandning förmedlar förintelse av två fotoner från excitation spektral-läge och generering av två dotter fotoner, kallas signal och kugghjul (röd och blå), spektralt symmetrisk till magnetiseringen. Fotonen para är också i en quantum överlagring av lägena frekvens definieras av resonanser, sådan som den eigenbasis som definieras av staten Hamiltonsk, vågfunktionen representeras av en normaliserad summan av symmetriska frekvens-mode egenvektorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: plattform för praktiska högdimensionella Kvantmekaniskt tillstånd generation och kontroll. De mikro-ring resonator26,27 är inbäddad i en större, extern hålighet. Denna externa hålighet består av en aktiv Elektro-optisk amplitud modulator drivs av en signalgenerator, en optisk förstärkning komponent och ett smalt band-passera filter, med den sistnämnda begränsande cirkulerande excitation pulsen till en pass-band motsvarar en enda Micro-cavity resonans. Quantum frekvens kammar genereras via detta system (figur 1) filtreras från fältet excitation och vidarebefordra till kontroll scenen via en notch-filter. Här, kan en sammanlänkning av programmerbara filter och Elektro-optisk fas modulatorer (drivs av en förstärkt signal från en RF-signalgenerator) användas för att manipulera staten. De kugghjul och signal fotoner dirigeras separat singel-foton detektorer använder ett DWDM bearbetningsstadium, och tidsfördröjningen mäts med timing elektronik. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: den uppmätta tillfällighet (överst) och -grad slump-till-oavsiktlig (bil) (nederst) för photon par motsvarar lägena signal-2 och kugghjul-2 frekvens som funktion av ökande upprepning hastighet för harmoniskt läge-låst pulsade magnetiseringen. Den slump som hittades att växa linjärt medan bilen var till stor del bevarad som puls form och peak befogenheter bibehölls för olika upprepning priser. Liten minskningen av bilen och dess ofullkomlig linjär minskning är tillskrivas att små avvikelser från riktad magnetisering makt. Felstaplar motsvarar den standardavvikelsen beräknad för fem mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: generering av sidebandsna via Elektro-optisk fas modulering (överst) och exempel densitet matris återuppbyggnad för D = 3 (nederst). (en) frekvens sidebanden generation av en Elektro-optisk modulator som funktion av frekvensen Equation 80 , med sida-band fördelade av frekvensen av modulerande signal, Equation 81 . FSR: exempel gratis spektralområde av en mikro-ring resonator. (b), experimentell densitet matris återuppbyggnad av en D = 3 frekvens-bin intrasslad två-photon staten (reella och imaginära delarna på vänster och höger, respektive). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Optisk-frekvensdomänen, via QFCs, är fördelaktigt i quantum-program för en mängd skäl. Verksamheten är globala, agerar på alla stater samtidigt, vilket resulterar i en design som inte skalar i storlek eller komplexitet som staten dimensionalitet ökar. Detta förstärks som komponenterna kan vara Omkonfigurerade on-the-fly utan att ändra inställningarna och kan vara integrerade på-chip genom att utnyttja befintliga och/eller utveckla infrastrukturer för halvledare och telekommunikation. Den generation tekniken kunde också antas för andra optiska mikro-håligheter — såsom andra ordningens nonlinear mikro-håligheter28, mikro-diskar29, fotoniska crystal vågledare30,31, etc.

Framsteg inom excitation stödordningen kommer att bana väg för hög produktionstakt, nödvändiga för quantum informationsbearbetning applikationer. Produktionstakten av vår generation system kan ökas genom läge-låsning vid högre harmoniska frekvenser, kan supermode buller leda till instabilitet på dessa högre upprepning. Dämpning av detta buller skulle kunna åstadkommas med tekniker såsom hålighet längd modulering32,33, ickelinjära ersättning34och hög-finess supermode filtrering tekniker35,36.

Förbättringar i systemet kommer att resultera i ännu högre photon produktion priser. De sammanlagda förlusterna för kontroll portion var 14,5 dB (1 dB för notch filter, 4,5 dB för det första programmerbara filtret, 3,5 dB för fas modulatorn och 4,5 dB för det andra programmerbara filtret). Produktionstakt kan vara ökad många gånger genom realizable sänkningar av förluster – med en lättillgänglig förbättring av 5 dB genom att integrera många av de kontrollkomponenter som används i setup till en enda kompakt, nedre-förlust optiska chip.

Förbättrad kontroll av frekvens-läge blandning genom bättre riktade sidband skapa ger effektivare grindar och högre produktionstakt. Eftersom sannolikheten spridningen beror på moduleringen körning signal (mönster, frekvens och amplitud) och Elektro-optisk modulator specifikationer, måste dessa vara i sfären till effektivt överlappar lägen (generera sida-band) på önskad blandning frekvenser — som kräver RF (GHz) signal hastigheter, state-of-the-art spänning förstärkare och låg Equation 11 fas modulatorer.

Aktuella programmerbara filtren är begränsade i spektral bandbredd och upplösning; den utrustning som används i de ursprungliga demonstrationerna hade en bandbredd från 1527.4 nm till 1567.5 nm och en upplösning på 12,5 GHz. Med en mikro-ring FSR 200 GHz ger programmerbara filtret tillgång till 10 signal och 10 lätting frekvenser. Dimensionerna av dessa kvanttillstånd kunde lätt nå värden upwards av Equation 82 (motsvarande så många som 14 qubits) med framsteg inom programmerbara filtret bandbredd/upplösning och optisk strålkälla FSR – allt utan att öka fotavtryck av installationen .

Med QFC plattform som beskrivs här, visar vi för generering och kontroll av komplexa kvanttillstånd i en kompakt, omkonfigurerbara, och praktiskt sätt. Höjdpunkterna i vårt system är möjligheten till hög generation andelen ren enstaka fotoner och global verksamhet på alla stater med enskilda komponenter, möjliggör skalbarhet i form av massproducerade, låg kostnad, integrerad fotoniska marker och tillgänglig telekommunikation komponenter. Använder denna QFC plattform, görs betydande steg mot kvantinformation bearbetningen teknologerna. Quantum kommunikation på höga priser är realizable med multiplexade kanaler, möjliggör säker information överföring på mycket effektiva skattesatser, medan högdimensionella quantum datoranvändning är ett växande fält som kunde hjälpa övervinna begränsningarna av qubit-baserade uträkningen37.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Vi tackar R. Helsten för tekniska insikter; P. Kung från QPS Photronics för hjälp och utrustning; samt QuantumOpus och N. Bertone optoelektronik komponenter för deras stöd och för att förse oss med state-of-the-art photon mätapparatur. Detta arbete har gjorts möjlig genom de följande finansieringskällorna: naturvetenskaplig och teknisk forskning rådet av Kanada (NSERC) (Steacie, strategisk, Discovery och Acceleration bidrag system, Vanier Kanada Graduate stipendier, USRA stipendium); Mitacs (IT06530) och PBEEE (207748); MESI fso-SIIRI initiativ; Kanada forskning stol Program; Australiska forskningsprojekt rådets Discovery (DP150104327); EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogrammet under Marie Sklodowska-Curie bevilja (656607); CityU SRG-Fd program (7004189); Forskningsprogrammet strategisk prioritering av den kinesiska vetenskapsakademin (XDB24030300); Programmet människor (Marie Curie Actions) av EU-FP7 programmet under REA bidragsavtalet INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Regeringen i Ryska federationen genom ITMO gemenskap och professur Program (Grant 074-U 01); 1000 talanger 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

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

Ingenjörsvetenskap integrerad fråga 136 kvantoptik fotoniska enheter låst läge-lasrar ickelinjär optik fyra-våg blandning frekvens kammar högdimensionella stater
Generation och konsekvent kontroll av pulsad Quantum frekvens kammar
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