Waiting
Login processing...

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

Engineering

Üretimi ve tutarlı Pulsed kuantum frekansı Combs kontrolünü

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

Bir iletişim kuralı pratik üretimi ve entegre mikro-oyuk ve standart telekomünikasyon bileşenleri, sırasıyla kullanarak yüksek boyutlu frekans-bin dolaşmış foton Birleşik tutarlı manipülasyon için sunulmaktadır.

Abstract

Biz üretimi ve tutarlı pulsed kuantum frekansı tarak manipülasyon için bir yöntem mevcut. Şimdiye kadar yüksek boyutlu Birleşik üstünde-küçük parça pratik bir şekilde hazırlama yöntemleri hazırlamak ve gibi devletler işlemek için gerekli kuantum devresi artan karmaşıklığı nedeniyle zor kalmıştır. Burada, biz anahat nasıl yüksek boyutlu, frekans-bin dolaşmış, iki fotonlu Birleşik doğrusal olmayan bir mikro-kavite, iç içe-kavite, aktif modu kilitli uyarma kullanarak bir nesil kararlı, yüksek oranda oluşturulabilir. Bu teknik pulsed kuantum frekansı tarak üretmek için kullanılır. Ayrıca, biz mevcut nasıl kuantum Birleşik tutarlı olabilir programlanabilir filtreler ve elektro-optik modülatörler gibi standart telekomünikasyon bileşenleri kullanarak manipüle. Özellikle, devlet karakterizasyonu ölçümleri yoğunluğu matris imar, tesadüf algılama ve tek foton spektrum belirlenmesi gibi gerçekleştirmek nasıl ayrıntılı olarak gösteriyor. Sunulan yöntemleri frekans etki alanında karmaşık yüksek boyutlu devlet hazırlık ve manipülasyon protokolleri için erişilebilir, reconfigurable ve ölçeklenebilir bir temel oluşturur.

Introduction

Kuantum olayların kontrolünü olasılığını yeni uygulamalar için güvenli kuantum iletişim1, güçlü kuantum bilgi işleme2ve3algılama kuantum gibi çeşitli alanlardaki açılır. Fiziksel farklı platformlarda-aktif olarak var araştırma kuantum teknolojileri4gerçekleşmeleri için onlar uzun tutarlılık kez ve istikrar dış ses, mükemmel gelen sergilemek gibi optik kuantum Birleşik önemli adaylar iken iletim özellikleri yanı sıra varolan telekomünikasyon ve silikon çip (CMOS) teknolojileri ile uyumluluk.

Fotonlar kuantum teknolojileri için potansiyelini tam olarak anlayan doğru devlet karmaşıklığı ve bilgi içeriği birden fazla dolaşık partiler ve/veya yüksek dimensionality kullanımı yoluyla arttırılabilir. Ancak, kurulumları, karışık, tamamen ölçeklenebilir ve/veya son derece uzmanlaşmış bileşenleri kullanmak gibi optik gibi devletler üstünde-küçük parça nesil pratiklik eksik. Özellikle, yüksek boyutlu yolu-Dolaşıklık gerektirir Equation 01 aynı kaynakları tutarlı heyecanlı ve ayrıntılı devreler ışını-kırma5 (nerede Equation 01 devlet dimensionality olduğunu), zaman dolanıklık karmaşık ihtiyacı çok kol interferometre6. Dikkat çekici, frekans-etki alanı karmaşık Birleşik, kontrolünü ve ölçeklenebilir üretimi için onun son sömürü birleşimiyle tümleşik optik kuantum frekansı tarak (QFC)7,8 tarafından gösterildiği gibi çok uygundur ve Telekomünikasyon altyapıları9ve gelecekteki kuantum bilgi teknolojileri için umut verici bir çerçeve sağlar.

Üstünde-küçük parça QFCs doğrusal olmayan optik etkiler içinde entegre mikro boşlukları kullanarak oluşturulur. Böyle bir doğrusal olmayan mikro-rezonatör kullanarak, iki dolaşık fotonlar (sinyal ve avara kaydetti) spontan dört-dalga, iki uyarma fotonlar - kavite'nın bir süperpozisyon içinde oluşturulan sonuç çift ile imha ile karıştırılarak üretilmektedir rezonans frekansı eşit aralıklı modları (Şekil 1). Tek tek frekans modları arasında tutarlılık ise, bir frekans-bin dolaşmış kez bir iki foton modu kilitli devlet11verilen kurulan10, durumudur. Bu devlet dalga fonksiyonu tarafından tanımlanabilir,

Equation 02

Burada, Equation 03 ve Equation 04 tek frekans modu avara vardır ve bileşenleri, sırasıyla, sinyal ve Equation 05 için olasılık genlik olduğunu Equation 06 -th sinyal-avara modu çifti.

Üstünde-küçük parça QFCs önceki gösteriler onların çok yönlü uygun kuantum bilgi platformlar olarak vurgulayın ve Taraklar ilişkili fotonlar12, fotonlar çapraz polarize13, dolaşık fotonlar14,15 dahil , 16, çoklu foton15Devletler ve Birleşik9,17frekans-bin dolaşmış. Burada, biz QFC platformu, ayrıntılı bir genel bakış sağlar ve yüksek boyutlu frekans-depo gözü için bir protokol optik devlet üretimi ve denetim dolaşmış.

Gelecekteki kuantum uygulamalar, özellikle de yüksek hızlı elektronik (için zamanında bilgi işleme), arabirim için yüksek saflıkta foton Birleşik bir kompakt ve istikrarlı Kur yüksek oranlı nesil talep ediyorum. QFCs telekomünikasyon S, C ve L frekans bantlarında içinde üretmek için bir aktif modu kilitli, iç içe geçmiş kavite düzenini kullanırlar. Bir mikro-ring mikro-ring uyarma bant genişliği18maç için filtre uygulanmış bir daha büyük lazer boşluğa, optik kazancı (bir lif Erbiyum katkılı amplifikatör EDFA tarafından sağlanan) kurulmuştur. Kilitleme modu aktif kavite kayıp19elektro-optik modülasyon gerçekleştirilmektedir. Bir izolatör darbe yayma tek bir yönü izler sağlar. Elde edilen darbe Tren çok düşük kök ortalama kare (RMS) gürültü vardır ve akort tekrarlama oranları ve nabız yetkileri sergiler. Yüksek yalıtım çentik filtresi verilmiş QFC fotonlar uyarma alanından ayıran. Bu tek fotonlar sonra Denetim ve algılama için lifler aracılığıyla yönlendirilir.

Olarak kullanılan tüm bileşenleri potansiyel fotonik bir çip entegre bizim düzeni üretimi-oranı yüksek, az yer kaplayan QFC kaynak, doğru bir adımdır. Ayrıca, darbeli uyarma kuantum uygulamaları için özellikle uygundur. İlk olarak, mikro-kavite rezonanslar uyarma için simetrik bir çift bakarak, nerede her foton tek frekanslı modu-merkezi bir doğrusal Optik Kuantum20bilgisayar için karakterize iki fotonlu Birleşik oluşturur. De, çoklu foton Birleşik daha yüksek güç uyarma rejimleri için taşıma ve birden çok sinyal-avara çiftleri15seçme oluşturulabilir. Bilinen zaman Windows için Darbeli uyarma karşılık gelen fotonlar yayılan gibi ikinci olarak, son işlem ve perdeleme durumu algılama geliştirmek için uygulanabilir. Belki de en önemlisi, bizim düzeni harmonik-kilitleme modu kullanarak yüksek hızlı, çok kanallı kuantum bilgi için önünü açabilir tesadüf kaza oranı (araç)-azaltmadan foton devletlerin yüksek üretimi hızlarını destekler teknolojileri.

Etkisi ve frekans etki alanının fizibilite göstermek için QFC Birleşik kontrolünü yüksek verimli dönüşümleri ve devlet tutarlılık sağlanması hedefli şekilde gerçekleştirilmesi gerekir. Böyle gereksinimleri karşılamak için basamaklı programlanabilir filtreler ve faz modülatörler-telekomünikasyon sektöründe kurulan bileşenleri kullanın. Programlanabilir filtreler bir rasgele spektral genlik ve faz maske üzerinde her frekans modu tek tek adreslemek için yeterli bir çözünürlük ile tek fotonlar dayatmaya kullanılabilir; ve elektro-optik faz modülatörler radyo frekanslı (RF) sinyal jeneratörleri tarafından tahrik frekans bileşenleri21/ karıştırma kolaylaştırmak.

En önemli bu kontrol şeması bu fotonlar tek kontrol elemanları kullanarak aynı anda tek bir kayma mod içinde tüm kuantum modları üzerinde çalışır yönüdür. Kuantum durumunda dimensionality artan Kur karmaşıklık, yol veya zaman bin Dolaşıklık düzenleri aksine bir artışa neden olmayacak. Aynı zamanda da tüm bileşenleri (dışarıdan reconfigurable anlamı işlemleri değişmiş Kur değişiklik olmadan) ve varolan telekomünikasyon altyapısını kullanır. Böylece, ultrafast optik işleme alanında mevcut ve gelecek gelişmeler doğrudan kuantum Birleşik ölçeklenebilir denetimine gelecekte transfer edilebilir.

Özetle, frekans-etki alanı QFCs tarafından üzerine yüksek oranlı üretimi kendi kontrolü ve karmaşık kuantum Birleşik destekler ve, böylece doğru pratik ve ölçeklenebilir kuantum teknolojileri karmaşık Birleşik harnessing için çok uygundur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. yüksek boyutlu frekans-bin nesil Birleşik Pulsed uyarma ile dolaşmış

  1. Düzen Şekil 2 ' de (üretimi sahne) belirlenen polarizasyon Bakımı optik fiberler (çevre kararlılığında için) kullanarak her bileşeni bağlanın.
  2. Elektro-optik genlik modülatörü güç kaynağını bağlayın ve içinden iletilen optik güç yaklaşık olarak (bir optik güç metre kullanarak ölçülen), yarıya kadar uzaklık değeri ayarlama bir DC gerilim uzaklığı uygulayın Örn., öyle ki bir tepe iletim değeri 2 mW 1 olarak yarıya mW.
  3. Yaklaşık dış boşluğu uzunluğu ölçmek. İlişki kullanarak dış boşluğu modu aralığı hesaplamak,
    Equation 07
    nerede Equation 08 dış boşluğu modudur aralığı, c's vakum, ışığın hızını Equation 09 boşluğu orta etkili dizin ve L dış boşluğu uzunluğu. Örneğin, elyaf 1.46 bir etkili kırılma indisi ile oluşan bir 20 m boşluğu için 10,2 MHz yaklaşık kavite modu aralığı olur.
  4. EDFA üzerinde lasing başlatmak için açın.
  5. Hızlı fotodiyot Kur kavite baðlantý birimi veya diğer halka bağlantı noktaları ekleyin. Fotodiyot sinyal uyarma alanın yoğunluk zaman etki alanında gözlemlemek için bir osiloskop bağlayın.
  6. Osiloskop zaman çözünürlüğü ayarlamak < (aracılığıyla yatay ölçek topuzu) 100 ps ns-ölçek bakliyat çözmek için. Bu adımda, aktif, modülatör çıktı osiloskop üzerinde kararsız darbe işlemi düşük kaliteli, yüksek gürültü darbe tren ile gösterir.
  7. İşlev üreteci elektro-optik genlik modülatörü bağlayın. İşlev üreteci çıkış frekans yukarıda bulunan (yaklaşık) dış boşluğu modu aralığı (veya bunun bir harmonik) ayarlayın. Bu sinyal modu kilitleme gerçekleştirir. Bir darbe (dikdörtgen) dalga biçimi veya sinüs dalga genlik Modülasyonu için seçin. İşlev üreteci açın.
  8. En iyi duruma getirme ve nabız tren şekli osiloskop üzerinde stabilize etmek üzere ofset DC ve RF işlevi jeneratör sıklığı ayarlayın. Darbeli bir sürüş sinyal kullanılmış ise, onun iş hacmi optimize edin.
  9. El ile Kullanıcı tarafından istediğiniz gibi oluşturulan fotonlar özelliklerini nerede rejimi darbe yoğunluk azaltmak (veya artırmak için) EDFA kazanç ayarlayın (araba yararlı bir ölçü - onun ölçüm ile ilgili ayrıntılar için aşağıya bakın). Bunun için zamanlama elektronik ile geliyor görsel arayüzü tarafından oluşturulan ilgili tesadüf histogramlar karşılaştırmak.
  10. Zamanlama elektronik eşitleme kanal (fotodiyot tarafından tespit) nabız tren sinyal veya tek foton dedektörler foton çift üretimi ile eşitlemek için kilitleme modu RF sinyal ile beslenir.
  11. QFCs üretimi oranını artırmak için daha yüksek harmonikler aynı anda aynı güç başına darbe emin olmak için EDFA kazanç artırmak ise dış boşluğu frekans aralığı kilitleme modu modülatör sürücüsü — bu foton korur iken araba çifti Çift üretim hızı (Şekil 3) artırılması. Bunun için sırasıyla işlevi jeneratör çıkış frekansı ve EDFA kazanç artırın.

2. yüksek boyutlu frekans-bin kontrolünü Birleşik dolaşmış

  1. Düzen Şekil 2 ' de (denetim sahne) belirlenen tüm bileşenleri polarizasyon Bakımı lifler kullanarak bağlayın. Çentik filtresi üretimi düzeni baştan bağlanmak serisi ilk programlanabilir filtre, faz modülatör ve ikinci programlanabilir filtre. Son olarak ölçüm amacıyla tek foton dedektörler bağlayın.
  2. Programlanabilir süzme işlemi
    Not: belirli uygulama/gerçekleştirilen ölçüm bağlı olarak, QFC denetim parametrelerini değişir ve frekans modları için uygulanan faz ve genlik maskeleri buna göre belirlenmelidir. Genlik maskesi azaltmak veya belirli frekans modları engellemek için kullanılabilir ve faz maskesi her modu hakkında bir rasgele faz kayması aktarabilir.
    1. İstenen uygulama/ölçüm için gerekli maske belirlemek.
    2. Programlanabilir filtre görsel arayüz22, üzerinden istenen frekansı modu kanalları genliği ayarla ve tüm diğerleri azalt.
    3. Benzer şekilde, (onlar tamamen zayıflatılmış olarak istenmeyen kanallara uygulanan faz önemsiz değildir) faz maskesi uygulayın. Programlanabilir nerede istenen frekans seçilir görsel arayüzü ile denetlemek.
  3. Faz modülasyonu işlemi
    1. Faz modülasyonu, periyodik bir sinyal ile tahrik kullanarak yan bantları faz modülatör sürüş sinyal üreteci sıklığını tarafından eşit aralıklı spektral her bileşen ayrılmıştır. Birçok farklı kuantum frekansı modu, benzer yol-Dolaşıklık düzenleri kayma ışın-kırma ile karıştırmak için bunu kullanın. Kuantum rejiminde elektro-optik faz modülasyonu bir kuantum işlemi23saçılma olarak kabul edilir.
    2. Hedef frekans modları belirler (bağlı olarak Equation 01 ve gerçekleştirilen ölçüm/işleme) ve istenen optimize etmek için gerilim desen (frekans ve genlik bir sinüs dalga jeneratör için) hesaplamak Equation 10 değerleri (bkz. aşağıda bazı Bu ilgili ayrıntılar).
    3. Sinyal üreteci (SMC kablolar gibi) düşük-kaybı kablolama ile RF Amplifikatör bağlayın. RF Amplifikatör çıkışı da yeterli RF kabloları kullanarak faz modülatör için bağlayın. Bir kez tüm RF uçları bağlı ve düzgün bitirmek, RF Amplifikatör önyargı.
    4. RF Amfi elektro-optik faz modülatör istenen karıştırma şartları karşılamak için yeterli gerilim ile sürücü için yeterli çıkış gücü olduğundan emin olun — birkaç sırasına bunlar Equation 11 (faz modülatör yarım dalga gerilim). Ayrıca, RF kablo ve konektörler sürüş sinyalin bant genişliği ve frekans aralığı için yeterli olduğundan emin olun.
    5. İstenen modu oluşturulan yan bantları ile çakışır bir frekansta (hangi aşama modülatör sürüş) RF sinyal üreteci ayarla (Örn., 33 GHz).
    6. Frekans modlarını karıştırmak için sinyal jeneratörü kapatın.
    7. Doğru modülasyon geçerli olduğunu doğrulamak için faz Modülatör ile sürekli bir lazer göndermek ve çıkış spektrum (modülasyon parametreleri daha fazla olabilir bir optik spektrum analizi kullanarak hedeflenen modülasyon karşılık gelen denetleyin en iyi duruma getirilmiş, bkz: Notlar).
      Not: frekans modları (en uygun işlev frekans ve genlik belirleme) karıştırma en iyi duruma getirme istenen karıştırma şeması üzerinde son derece bağlıdır, gerçekleştirilen deneme ve devlet dimensionality Equation 01 . Mümkünse, karıştırma düzenleri karıştırma verimliliğini artırmak için modları (düşük-tamsayı sidebands) adlı ilk frekans modu yakın karıştırmak. Örneğin, Eğer Equation 12 , karıştırma yarısını iki frekans modları arasında gerçekleşmesi için tavsiye edilir (böylece, faz modülasyonu yarım için birden çok eşit bir tamsayı olan bir frekansta kuantum modu frekans aralığını veya ücretsiz yönlendirilmesi Spektral Aralık (FSR)). Her nasıl, için Equation 13 , karıştırma merkezi frekans mod (aşama modülasyon tahrik bir frekansta bir tamsayı değerine sahip birden çok eşit için FSR) gerçekleşmesi için önerilir. Örneğin, ile Equation 13 ve mikro-kavite Equation 14 GHz, sinyal sürüş faz modülasyonu 33.33 GHz için ayarlanır öyle ki Equation 15 yan bant da yeterli yoğunluğu ortasında bırakarak komşu frekans modlarıyla - ile çakışıyor frekans modu. Bu modları komşu sidebands üst üste olur Equation 16 , Equation 17 ve Equation 18 merkezi frekans modunda Equation 17 . Şekil 4a modülasyon süreci ve yan bant katsayıları örneği görüntüler. Her frekans modu aynı faz modülasyonu uğrar ve aynı yan bant dağıtım oluşturur, ancak özgün frekans modu hakkında (Şekil 4a) merkezli. Bir tek frekans modu için yan bant genlikleri bir Fourier serileri24katsayıları hesaplanır,
      Equation 19
      nerede Equation 10 genlik transfer Equation 20 -th yan, Equation 21 faz modülatör, tahrik sıklığıdır Equation 22 faz modülasyonu desen (frekans ile periyodik Equation 21 ), ve Equation 23 olduğunu periyodik modülasyon işlevinin bağımsız değişkeni (Equation 24). Sinüsoidal sürüş sinyali, Equation 25 , yan bantlı genlikleri Jacobi-öfke genişleme tarafından açıklanan
      Equation 26
      Equation 27
      nerede Equation 28 olduğunu Equation 20 -th sipariş, değerlendirilen birinci türden Bessel fonksiyonu Equation 29 ve Equation 30 en fazla faz kayması olduğunu (nerede Equation 31 tek tonlu sürüş sinyal gerilim genliği var).

3. yüksek boyutlu frekans-bin işlenmesi Birleşik dolaşmış

  1. Tek foton spektrum
    1. Bir tek foton dedektörü, programlanabilir bir filtre çıkışını QFC uyarma alanından filtreleme takip yerleştirin.
    2. Foton sayısı oranları frekans bir fonksiyonu olarak ölçme bir dar bant filtresi genlik maskesi kullanarak tam programlanabilir filtre bant genişliği üzerinden programlanabilir filtre bilgisayar yazılımıyla tarayın. Örneğin, Eğer bir görsel arabirimi/denetim MATLAB komut dosyası (, programlanabilir filtre denetimi ve zamanlama elektronik ile arabirim) kullanılan, istenen filtre bant genişliği değerleri girin ve adım numarası ve "Çalıştır" ı tıklatın. Uygun foton almak için yeterli entegrasyon zaman uyumu sağlamak.
    3. Bu verilerden spektrum yeniden oluşturmak için foton sayısı oranları ilgili dalga boyu karşı (örneğin, Matlab komut dosyası kullanarak) Arsa (bant filtre Merkezi) nerede onlar elde.
  2. Tesadüf ölçüm
    1. Bir tesadüf ölçüm gerçekleştirmek için bölme ve rota sinyal ve Idler fotonlar tek foton dedektörler ayırmak için. Programlanabilir filtre birden çok bağlantı noktası varsa, ayrılık gerçekleştirmek için kullanın. Aksi takdirde, bir dalga boyu yoğun bölünme multiplexer (DWDM) tek foton dedektörler önce eklemek ve bu fotonlar yönlendirmek için kullanın.
    2. Bir sinyal ve Idler çifti (örneğin, ikinci rezonans satırları ile ilgili olarak uyarma sıklığını, sinyal-2 ve avara-2) seçin programlanabilir kullanarak filtre (sağlanan yazılım arayüzü üzerinden) ve bunları iki ayrı tek foton dedektörler için yönlendirir. Örneğin, WaveManager yazılım için Flexgrid alt menüsünü, "Ekle" seçeneğini tıklatın ve seçilen kanal22için dalga boyu ve çıkış bağlantı noktası girin.
    3. Sinyal ve zaman dijital dönüştürücü kullanarak Idler fotonlar varış zamanını kaydetmek. Bu ölçümler iki fotonlar arasında gecikme süresini hesaplamak için. (Örneğin, Matlab komut dosyası kullanarak) bir çubuk grafik çizmek tesadüf sayar gecikmeli için Equation 32 avara arasındaki sinyal — bu bir tesadüf ölçüm sağlar.
      Not: Araba metrik çok foton süreçleri ve karanlık sayar kaynaklanan kaza sonucu tesadüf sayımları ile oluşturulan foton çiftinden gerçek tesadüf sayıları karşılaştırır.
    4. Hesaplanan ölçüm, merkez tepe sayar kaydedin (aynı Nabız sıfır gecikme merkezli, üretilen fotonlar kaynaklanan tesadüf diye bir şey Equation 33 ) — tesadüf değeri olduğu.
    5. Ortalama sayıları her tarafı tepeli kaydedin (fotonlar tesadüfler üretilen farklı atışlar, nerede Equation 32 darbe katları tren dönem, i.e., darbe tekrarlama oranı tersini), yanlışlıkla değeri olduğu.
      Not: Araba sadece bu iki değerden (tesadüf değeri/kaza sonucu değer) oranıdır.
  3. Yoğunluk matris imar
    Not: İşlemi yoğunluğu matris yeniden inşası için Kuantum durumunda birkaç parametre üzerinde bağlıdır: dimensionality fotonlar, fotonlar ve hangi modları ölçülür. Ham ölçüleri gerekli sayısı eşittirEquation 34, neredeEquation 01dimensionality olduğunu veEquation 35Fotonlar sayısıdır. Yani, örneğin, iki fotonlu ile a çift-bir dimensionalityEquation 1381 ölçümleri gerektirir. Bu iletişim kuralı yoğunluğu matris yeniden inşası için genel işlem bir çiftinin örneklerle açıklayacağımEquation 13frekans modu fotonlar.
    1. İstenilen durumu için temel vektörler kümesi ve projeksiyon vektörel çizimler (bunlar uygun bir şekilde seçmek hakkında ayrıntılı bilgi için aşağıya bakınız) kümesi belirler.
    2. Bir tesadüf ölçüm ile programlanabilir bir filtre veya bir DWDM rota sinyal ve Idler fotonlar tek foton dedektörler ayırmak için kullanın.
    3. Programlanabilir filtre yazılım denetimi yoluyla istenen frekansı modları seçin ve tüm diğerleri azalt. Aşama her projeksiyon wavevector tek tek fark ve bir tesadüf ölçüm kaydetmek için maske değerleri ayarlayın. Farklı projeksiyon tesadüf sayıları arasında aynı entegrasyon zaman tanımak önemlidir.
    4. Özel bilgisayar komut dosyası kullanarak, her projeksiyon wavevector (Hesaplamalı ilgili ayrıntılar için aşağıya bakınız) ham tesadüf sayısı ölçümleri kullanarak foton yoğunluğu matrisi hesaplamak.
      Not: temel vektörler yoğunluğu matrix ölçüm için belirlerken, onlar-gerekir span devlet alan. İçin örnek durum, temel vektörleridir
      Equation 36
      Bir devlet için Equation 37 , yoğunluk matris tarafından Kuantum durumunda açıklar
      Equation 38
      Yoğunluk matris durumda olmak için herhangi bir gerçek fiziksel sistem-meli var olmak bir pozitif kesin, Hermitian matris - ama gürültü nedeniyle, bu her zaman olabilir. Seçilmiş olarak örnek durumda ideal maksimum frekans dolaşmış devlet için wavevector olarak temsil edilebilir
      Equation 39
      ve böylece, teorik yoğunluğu matris olacaktır:
      Equation 40
      Projeksiyon ölçümleri projeksiyon wavevectors, bir dizi alınır Equation 41 . Her projeksiyon için tesadüf sayıları verilmektedir,
      Equation 42
      nerede Equation 43 bir sabit (tanımı için aşağıya bakınız).
    5. Dik bir dizi seçin Equation 44 , matrisler, normalleştirilmiş Equation 45 , öyle ki
      Equation 46
      nerede Equation 47 iz Equation 01 boyut, mi Equation 35 fotonlar, sayısıdır ve Equation 48 Kronecker delta işlevini göstermektedir. Bu matrisler özel üniter SU kullanarak inşa edilebilir (Equation 01) jeneratörler (var olan Equation 49 ), ile tüm olası tansör ürün kombinasyonları25olan özdeşlik matrisini birlikte. Aşağıdaki örnek dava ortogonal matrisler için bakın.
    6. Yoğunluk matris, yeniden Equation 50 , aşağıdaki ilişkileri ile
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      nerede Equation 55 foton önemli olan Equation 56 -th projeksiyon vektör, Equation 57 (bkz: bir sonraki adım) projeksiyon vektörleridir nerede Equation 58 ve Equation 59 denklem tanımına göre hesaplanır.
      Not: Projeksiyon wavevectors örnek çalışması için vardır,
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      Deneysel olarak, bu wavevectors her modu uygun faz kayması programlanabilir filtre üzerinden aktarmanın tarafından gerçekleştirilmektedir. Önceki yayın25 projeksiyon vektörel çizimler üzerinde tartışma için başvurun. Matrisler, ortogonal dizi Equation 69 için örnek dava seçilmiş ilk SU(3) jeneratörleri ile birlikte olan özdeşlik matrisini kullanarak
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      ve olarak, hesaplanan
      Equation 79
    7. Yüksek boyutlu devlet yeniden yapılanma daha derinlemesine tartışılması için referans 25 25için başvurun.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Anahat düzeni oluşturma ve denetim (doğrusal olmayan mikro-boşluklar, Şekil 1uyarma üzerinde dayalı) yüksek boyutlu frekans-bin Devletler için Şekil 2' de gösterilmiştir. Bu Kur standart telekomünikasyon bileşenleri kullanan ve foton üretim hızı ve uygulanan işleme işlemleri son derece esnektir. Şekil 3 nesil program aracılığıyla tesadüf hızı ve araba karakterizasyonu tekrarlama oranı fonksiyonu olarak foton çiftleri üretim araba azalan olmadan daha çalışır gösteren gösterir. Denetimi bölümünde, programlanabilir filtreler ve faz modülatörler (Şekil 4A) tutarlı foton wavefunctions kontrolünü sağlar. Böyle bir kontrol şeması, Kuantum durumunda tomografi gerçekleştirmek için kullanılan bir Equation 13 , devlet yoğunluğu matris Şekil 4B' gösterildiği gibi yeniden oluşturmak için iki fotonlu sistem. Sonuçlar mükemmel anlaşma %80.9 elde bir sadakat ile ölçülen ve sonuna kadar dolaşık devletler arasında gösterilmektedir.

Figure 1
Şekil 1: Pulsed kuantum frekansı tarak üretimi. Bir darbe alan tek bir doğrusal olmayan mikro-kavite rezonans (yeşil) heyecanlandırıyor. Spontan dört-dalga karıştırma iki fotonlar uyarma spektral modundan annihilation ve sinyal ve avara (kırmızı ve mavi), hayalice için uyarma simetrik adlı iki kızı fotonlar nesil aracılık eder. Öyle ki devlet Hamilton tarafından tanımlanan eigenbasis içinde wavefunction simetrik frekans-modu özvektörler normalleştirilmiş bir toplamı tarafından temsil edilir foton çifti de kuantum süperpozisyon rezonanslar tarafından tanımlanan frekans modları mevcuttur. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: pratik yüksek boyutlu kuantum durumunda üretimi ve denetim için Platform. Mikro-ring rezonatör26,27 bir daha büyük, dış boşluk katıştırılır. Bu dış boşluğu bir sinyal üreteci, bir optik kazanç bileşeni ve ikinci dolaşımdaki uyarma nabız geçmek bantlı tek bir karşılık gelen için sınırlama ile bir dar bant geçiren filtre tarafından yönlendirilen bir etkin elektro-optik genlik modülatörü oluşur Mikro-kavite rezonans. Bu düzen (Şekil 1) oluşturulan kuantum frekansı tarak uyarma alandan filtre uygulanır ve denetim sahne alanı'na bir çentik filtresi geçmek. Burada, bir birleştirme programlanabilir filtreler ve elektro-optik faz modülatörler (güçlendirilmiş bir sinyal ile bir RF sinyal üreteci tahrik) Devlet yönetmek için kullanılabilir. İşleme aşamasında, Avara ve sinyal fotonlar bir DWDM kullanarak tek foton dedektörler ayırmak için yönlendirilir ve gecikme süresini zamanlama elektronik ölçülür. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: ölçülen tesadüf oranı (üst) ve armonik modu kilitli Geniş puls için sinyal-2 ve avara-2 frekans modları için artan yineleme hızı bir fonksiyonu olarak karşılık gelen foton çiftleri için tesadüf kaza oranı (araba) (alt) uyarma. Nabız şekli ve en yüksek güçler için farklı tekrarlama oranları muhafaza gibi tesadüf oranı araba doğrusal olarak büyümeye büyük ölçüde korundu bulundu. Hafif azalma araba ve onun kusurlu doğrusal azaltmak için küçük sapmalar hedeflenen uyarma elektrik imputable. Hata çubukları için beş ölçümleri hesaplanan standart sapma karşılık gelir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: elektro-optik faz modülasyonu'nu (üst) ve örnek yoğunluk matris imar D için üzerinden sidebands nesil = 3 (alt). (bir) frekans yan bant nesil bir elektro-optik modülatör tarafından bir fonksiyonu olarak frekans Equation 80 , yan-şeritli modülasyonlu sinyal frekans tarafından aralıklı Equation 81 . FSR: örnek ücretsiz spektral aralığı bir mikro-ring rezonatör. (b) deneysel yoğunluğu matris imar bir d = 3 frekans-bin dolaşmış iki fotonlu durumu (gerçek ve hayali sol ve sağ, sırasıyla parçalar). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Optik frekans-domain, QFCs, via kuantum uygulamaları için nedenleri bir dizi avantajlıdır. İşlemleri geneldir, oyunculuk tüm aynı anda, hangi sonuçları boyutu veya devlet dimensionality arttıkça karmaşıklığı ölçekli değil bir tasarım Devletler. Bileşenleri yeniden yapılandırılan üstünde-belgili tanımlık-kurulumunu değiştirmeden sinek olabilir ve mevcut ve/veya yarı iletken ve telekomünikasyon altyapıları geliştirme sömürerek entegre yonganın olma yeteneğine sahip olarak geliştirilmiştir. Üretim teknikleri de diğer optik mikro-boşluklar için kabul — ikinci dereceden doğrusal olmayan mikro-boşluklar28, mikro-diskler29, fotonik kristal dalga kılavuzu30,31, vbgibi.

Uyarma düzeni gelişmeler yüksek üretim hızları, kuantum bilgi işleme uygulamaları için gerekli için önünü açacak. Bizim nesil düzeni üretim oranı daha yüksek armonik frekanslarda kilitleme modu tarafından daha çalışır iken, supermode gürültü bu yüksek tekrarlama hesaplı kararsızlıklara neden olabilir. Bu gürültü bastırılması kavite uzunluğu modülasyon32,33, doğrusal olmayan tazminat34ve yüksek para cezası supermode filtreleme teknikleri35,36gibi teknikleri ile başarılı olabilir.

Sistem gelişmeler daha yüksek foton üretim fiyatlarına neden olur. Denetim bölümü için toplam kayıp 14.5 dB (1 dB çentik filtresi için ilk programlanabilir filtresi için 4,5 dB, faz modülatör için 3,5 dB ve ikinci programlanabilir filtresi için 4,5 dB) yapıldı. Üretim oranları artış çok katlı kayıplarla – tek bir kompakt, alt-kaybı optik yonga kurulumunda kullanılan denetim bileşenlerin çoğu bütünleştirerek 5 dB hazır bir iyileşme gerçekleşebilir indirimleri ile olabilir.

Geliştirilmiş daha iyi hedeflenmiş yan bantlı oluşturmayı karıştırma frekans mod kontrolünü daha verimli gates ve yüksek üretim hızları sağlar. Olasılık saçılma modülasyon sinyali (desen, frekans ve genlik) ve elektro-optik modülatör özellikleri sürüş üzerinde bağlı olarak, bu alanda etkili bir şekilde, istenen karıştırma modları (yan bant oluştur) üst üste olmalı Frekanslar — RF (GHz) sinyal hızları, state-of--art gerilim amplifikatörler ve düşük gerektiren Equation 11 faz modülatörler.

Geçerli programlanabilir filtreler spektral bant genişliği ve çözümlemesi ile sınırlıdır; özgün tanıtımlarınızı kullanılan ekipman 1527.4 bir bant genişliği vardı nm 1567.5 için nm ve a kararlılık-in 12.5 GHz. İle bir mikro-ring FSR 200 GHz Bu programlanabilir 10 sinyal ve 10 Idler frekansları erişmesini sağlar. Bu kuantum devletlerin dimensionality yukarı değerlerini kolayca ulaşabilir Equation 82 (en çok 14 qubits için karşılık gelen) programlanabilir filtre bant genişliği/çözüm ve optik kavite FSR gelişmeler ile — kurulum ayak izi artırmadan .

Burada özetlenen QFC platformu ile üretimi ve karmaşık kuantum Birleşik kompakt, reconfigurable ve pratik bir şekilde kontrolünü göstermektedir. Parlak nokta-in bizim düzenleri saf tek fotonlar ve küresel iş üstünde tüm devletler ile tek parça, kitle, düşük maliyetli, entegre fotonik fiş ve erişilebilir formunda ölçeklenebilirlik sağlayan yüksek üretimi oranları için özelliği vardır Telekomünikasyon bileşenleri. Bu QFC platformu kullanarak, önemli adımlar kuantum bilgi işleme teknolojileri doğru yapılır. Kuantum iletişim yüksek fiyatlara güvenli bilgi aktarımı çok verimli fiyatlar yüksek boyutlu kuantum hesaplama yardımcı olabilir gelişmekte olan bir alan ise, qubit'e tabanlı sınırlamalar üstesinden sağlar çoğaltılmış kanal ile gerçekleşebilir Hesaplama37.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

R. Helsten teknik anlayış için teşekkür ederiz; S. Kung QPS Photronics ilgili yardım ve işleme donanımları üzerinden; yanı sıra QuantumOpus ve N. Bertone Optoelektronik bileşenleri için destek ve bizim state-of--art foton tespit donanımları ile sağlamak için. Bu eser tarafından aşağıdaki finansman kaynakları mümkün yapıldı: Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi, Kanada (NSERC) (Steacie, stratejik, keşif ve ivme hibe programları, Vanier Kanada Lisansüstü Bursları, USRA burs); Mitacs (IT06530) ve PBEEE (207748); MESI PSR-şiiri girişimi; Kanada araştırma sandalye programı; Avustralya Araştırma Konseyi keşif projeleri (DP150104327); Avrupa Birliği'nin ufuk 2020 araştırma ve yenilik programı Marie Sklodowska-Curie altında (656607) vermek; CityU SRG-Fd programı (7004189); Stratejik öncelik araştırma programı Çin Bilimler Akademisi (XDB24030300); İnsanlar programı (Marie Curie eylemleri) Avrupa Birliği'nin FP7 programı REA Hibe Sözleşmesi INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Hükümet, Rusya Federasyonu ITMO Bursu ve profesörlük Program (Grant 074-U 01); 1000 yetenekleri Sichuan Program (Çin)

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

Mühendislik sayı: 136 kuantum optik entegre fotonik aygıtlar mod kilitli lazerler doğrusal olmayan optik dört-dalga karıştırma frekans Taraklar yüksek boyutlu Birleşik
Üretimi ve tutarlı Pulsed kuantum frekansı Combs kontrolünü
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