En protokol, der er præsenteret for praktiske generation og sammenhængende manipulation af høj-dimensionelle frekvens-bin viklet photon stater ved hjælp af integrerede mikro-huller i tænderne og standard telekommunikation komponenter, henholdsvis.
Vi præsenterer en metode til generation og sammenhængende manipulation af pulserende quantum frekvens kamme. Indtil nu har metoder til at forberede high-dimensionelle stater på chip på en praktisk måde forblev undvigende på grund af den stigende kompleksitet af quantum kredsløb kræves for at udarbejde og behandle sådanne stater. Her, vi skitsere hvordan high-dimensionelle, frekvens-bin viklet ind, to-foton stater kan genereres på en stabil, høj generation sats ved hjælp af et indlejret hulrum, aktivt mode-låst excitation af en ikke-lineær mikro-hulrum. Denne teknik bruges til at producere pulserende quantum frekvens kamme. Desuden præsenterer vi hvordan quantum stater kan være sammenhængende manipuleres ved hjælp af standard telekommunikation komponenter såsom programmerbare filtre og elektro-optisk modulatorer. Navnlig viser vi i detaljer hvordan man opnå stat karakterisering målinger såsom massefylde matrix genopbygning, tilfældighed påvisning og enkelt foton spektrum beslutsomhed. De præsenterede metoder danne en tilgængelig, omkonfigurerbare og skalerbar fundament for komplekse high-dimensionelle tilstand forberedelse og manipulation protokoller i frekvens domæne.
Kontrol af quantum fænomener åbner mulighed for nye applikationer på områder så forskellige som sikker quantum kommunikation1, kraftfulde quantum informationsbehandling2og quantum sensing3. Mens en række fysiske platforme er aktivt ved at blive undersøgt for erkendelser af quantum technologies4, er optisk quantum stater vigtige kandidater, som de kan udstille lang sammenhæng gange og stabilitet fra ekstern støj, fremragende transmission egenskaber, såvel som kompatibilitet med eksisterende telekommunikation og silicium-chip (CMOS) teknologier.
Hen imod fuldt ud at realisere potentialet af fotoner for quantum technologies, kan staten kompleksitet og information indhold øges ved hjælp af flere indfiltrede parterne og/eller høj-dimensionalitet. På chip generation af optisk egne mangler imidlertid praktiske som opsætninger er kompliceret og ikke helt skalerbar og/eller bruge højt specialiserede komponenter. Specifikt, høj-dimensionelle sti-entanglement kræver sammenhængende ophidset identiske kilder og udarbejde kredsløb af stråle-splittere5 (hvor er staten dimensionalitet), mens tid-entanglement behov for komplekse multi arm interferometre6. Bemærkelsesværdigt, frekvens-domænet er velegnet til skalerbare produktion og kontrol af komplekse stater, som det fremgår af dens seneste udnyttelse i quantum frekvens kamme (QFC)7,8 ved hjælp af en kombination af integreret optik og telekommunikation infrastrukturer9, og er en lovende ramme for fremtidige quantum informationsteknologier.
På chip QFCs genereres ved hjælp af ulineære optiske effekter i integrerede mikro-huller i tænderne. Bruge sådan en ikke-lineær mikro-resonator, er to sammenfiltrede fotoner (noteret som signal og stjernehjul) produceret af spontan fire-bølge blanding, via udslettelse af to excitation fotoner – med den deraf følgende par genereret i en superposition af hulrummet jævnt fordelte resonant frekvens tilstande (figur 1). Hvis der er sammenhæng mellem de enkelte frekvens tilstande, er en frekvens-bin viklet stat dannet10, som ofte omtales som en mode-låst to photon stat11. Denne stat bølge-funktion kan beskrives ved,
Her, og er single-frekvens-mode stjernehjul og signalere komponenter, henholdsvis, og er sandsynlighed amplituden til den -th signal-stjernehjul tilstand par.
Tidligere demonstrationer af-chip QFCs fremhæve deres alsidighed som levedygtige quantum informationsplatforme, og medtage kamme korreleret fotoner12, cross-polariserede fotoner13, indfiltrede fotoner14,15 , 16, multi photon hedder15, og frekvens-bin viklet stater9,17. Her, vi giver en detaljeret oversigt over QFC platform og en protokol for high-dimensionelle frekvens-bin viklet optisk stat generation og kontrol.
Fremtidige quantum programmer, især dem til at være forbundet med højhastighedstog elektronik (for rettidig information processing), kræver den high-rate generation af høj renhed photon stater i en kompakt og stabil opsætning. Vi bruger en aktiv tilstand-låst, indlejrede hulrum ordning til at producere QFCs inden for telekommunikation S, C og L frekvensbånd. En mikro-ring er indarbejdet i en større pulserende laser hulrum, med optisk gevinst (leveres af forstærkeren erbium dopede fiber, EDFA) filtreret for at matche de mikro-ring excitation båndbredde18. Låsning af mode er aktivt realiseret via elektro-optisk graduering af hulrum tab19. En isolator sikrer, at pulsen formering følger en enkelt retning. Den resulterende puls tog har meget lav root mean square (RMS) støj og udstiller afstemmelige gentagelse satser og puls beføjelser. En høj isolation notch filter adskiller de udsendte QFC fotoner fra feltet excitation. Disse enkelt fotoner er så styret gennem fibre til kontrol og registrering.
Vores ordning er et skridt i retning af en generation-høj, små-fodaftryk QFC kilde, som alle komponenter, der anvendes kan potentielt blive integreret på en fotoniske chip. Derudover er pulserende excitation især velegnet til quantum applikationer. Først genererer ser på et par af mikro-hulrum resonanser symmetrisk til excitation, det to-foton stater hvor hver foton er kendetegnet ved en enkelt frekvens tilstand – central for lineær optisk kvantecomputere20. Samt, kan multi photon stater blive genereret ved flytning til højere magt excitation regimer og vælge flere signal-stjernehjul par15. Andet, som fotoner der udledes i kendte tidsvinduer svarende til den pulserende excitation, efterbehandling og gating kan gennemføres for at forbedre stat påvisning. Måske mest markant understøtter vores ordning høj generation satser af photon stater bruger harmoniske låsning af mode uden at reducere tilfældighed at utilsigtet forholdet (bil) – som kunne bane vejen for højhastighedstog, multi-kanal quantum oplysninger teknologier.
For at demonstrere virkning og gennemførligheden af domænet frekvens, skal kontrol af QFC stater ske i målrettede måder, at sikre højeffektive transformationer og staten sammenhæng. For at opfylde sådanne krav, bruger vi overlappende programmerbare filtre og fase modulatorer – etablerede komponenter i telekommunikationsindustrien. Programmerbare filtre kan bruges til at pålægge en vilkårlig spektrale amplitude og fase maske på de enkelte fotoner, med en opløsning, der er tilstrækkelige til at løse hver frekvens tilstand individuelt; og elektro-optisk fase modulatorer drevet af radiofrekvens (RF) signal generatorer lette blanding af frekvens komponenter21.
Det vigtigste aspekt af denne kontrol-ordningen er, at det fungerer på alle quantum tilstande af fotoner samtidig i en enkelt fysisk tilstand, ved hjælp af samme betjeningsorgan elementer. Stigende quantum stat dimensionalitet vil ikke føre til en stigning i Opsætningens detaljeringsgrad, i modsætning til vej – eller gang-bin entanglement ordninger. Så godt alle komponenter er eksternt omkonfigurerbare (dvs. operationerne kan blive ændret uden ændring af opsætningen) og bruge eksisterende telekommunikationsinfrastruktur. Således, eksisterende og kommende udvikling inden for ultrahurtig optisk forarbejdning kan direkte overføres til den skalerbare kontrol af quantum stater i fremtiden.
I Resumé, udnyttelse af frekvens-domæne af QFCs understøtter high-rate generation af komplekse quantum stater og deres kontrol, og er således velegnet til udnyttelse af komplekse stater mod praktiske og skalerbar quantum technologies.
Den optiske frekvens-domæne, via QFCs, er fordelagtige i quantum ansøgninger om et væld af grunde. Operationer er globale, handler på alle medlemsstaternes samtidigt, hvilket resulterer i et design, der ikke skala i størrelse eller kompleksitet som staten dimensionalitet stigninger. Dette forstærkes som komponenterne kan være omkonfigureret på-den-flue uden at ændre opsætningen og er i stand til at blive integreret på chippen ved at udnytte eksisterende og/eller udvikle halvleder-og telekommunikationsinfrastru…
Vi takker R. Helsten for teknisk indsigt; P. Kung fra QPS Photronics for hjælp og udstyr; samt QuantumOpus og N. Bertone Optoelektronik komponenter for deres støtte og for at forsyne os med state-of-the-art photon detection udstyr. Dette arbejde var gjort muligt af de følgende finansieringskilder: Naturvidenskab og teknisk forskning Rådet i Canada (NSERC) (Steacie, strategiske, Discovery og Acceleration tilskud ordninger, Vanier Canada ph.d. stipendier, USRA legat); Mitacs (IT06530) og PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI initiativ; Canada forskning stol Program; Australsk forskning Rådets Discovery projekter (DP150104327); EUs Horisont 2020 forskning og innovation program under Marie Sklodowska-Curie tilskud (656607); CityU SRG-Fd program (7004189); Strategiske prioritet Research Program af kinesiske Academy of Sciences (XDB24030300); Mennesker-programmet (Marie Curie-aktioner) af EUs RP7 program under REA tilskudsaftalen INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Regeringen for den russiske Føderation gennem ITMO Fellowship og professorprogram (Grant 074-U 01); 1000 talenter Sichuan Program (Kina)
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 |