Waiting
Login processing...

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

Engineering

Generation og sammenhængende kontrol af pulserende Quantum frekvens kamme

Published: June 8, 2018 doi: 10.3791/57517
* These authors contributed equally

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 Equation 01 sammenhængende ophidset identiske kilder og udarbejde kredsløb af stråle-splittere5 (hvor Equation 01 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,

Equation 02

Her, Equation 03 og Equation 04 er single-frekvens-mode stjernehjul og signalere komponenter, henholdsvis, og Equation 05 er sandsynlighed amplituden til den Equation 06 -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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. generation af High-dimensionelle frekvens-bin viklet stater via pulserende magnetisering

  1. Efter ordningen skitseret i figur 2 (Generation fase), tilslutning af hver komponent ved hjælp af opretholdelse af polarisering optiske fibre (for bedre miljømæssige stabilitet).
  2. Tilslutte en strømforsyning til elektro-optisk amplitude modulator og anvende en DC spænding offset, tuning forskydningsværdien indtil den optiske effekt overføres via det er cirka halveret (målt ved hjælp af en optisk wattmeteret), fx., sådan at et højdepunkt transmission værdi af 2 mW er halveret til 1 mW.
  3. Måle den omtrentlige eksterne kavitetslængden. Beregne den ydre hulrum tilstand afstand ved hjælp af forholdet,
    Equation 07
    hvor Equation 08 er den ydre hulrum tilstand afstand, c er lysets hastighed i vakuum, Equation 09 er den effektive indeks af hulrum medium, og L er den eksterne kavitetslængden. For eksempel, for en 20 m hulrum består af fiber med en effektiv brydningsindekset af 1.46, ville omtrentlige hulrum tilstand afstand være 10.2 MHz.
  4. Tænde EDFA at indlede lasing.
  5. Indsæt den hurtige fotodiode i opsætningen på enten hulrum kobling eller andre ring havne. Tilslut fotodiode signal til et oscilloskop at observere feltet excitation intensitet i tid-domæne.
  6. Sat oscilloskop tid beslutning < 100 ps (gennem den vandrette skala knop) for at løse ns-skala pulserne. På dette trin, vil uden modulator aktiveret, output på oscilloskopet vise ustabile puls funktion med en lav kvalitet, høj støj puls tog.
  7. Tilslut en funktionsgenerator til elektro-optisk amplitude modulator. Indstil frekvens af funktion generator output (omtrentlige) eksterne hulrum tilstand afstanden fandt ovenfor (eller en harmonisk af det). Dette signal udfører mode-låsning. Vælg enten en puls (rektangulært) bølgeform eller sinusbølge for amplitudemodulation. Slå funktionsgenerator.
  8. Tune RF funktion generator frekvens og DC offset for at optimere og stabilisere puls tog form på oscilloskopet. Hvis en pulserende kørsel bruges signal, optimere sin arbejdscyklus.
  9. Manuelt justere EDFA gevinst for at reducere (eller øge) puls intensitet til den ordning, hvor egenskaberne for de genererede fotoner er som ønsket af brugeren (bil er en nyttig metriske her - se nedenfor for detaljer om dens måling). For dette, sammenligne de respektive tilfældighed histogrammer genereret af den visuelle grænseflade, der kommer med timing elektronik.
  10. Feed timing elektronik sync kanal med puls train signal (opdaget af en fotodiode) eller RF låsning af mode signal at synkronisere enkelt foton detektorer med photon par generation.
  11. For at øge den generation af QFCs, drive mode-låsning modulator på højere harmoniske eksterne hulrum frekvens afstand mens samtidig forstærke EDFA gevinst for at sikre den samme strøm pr. puls — dette fastholder photon parre bil mens øge par produktion sats (figur 3). For dette, øge funktion generator output frekvens og EDFA gevinst henholdsvis.

2. kontrol af den høj-dimensionelle frekvens-bin viklet stater

  1. Efter ordningen skitseret i figur 2 (kontrol fase), Tilslut alle komponenter ved hjælp af opretholdelse af polarisering fibre. Begyndelsen fra notch filter i ordningen generation forbinde i serien først programmerbare filter, fase modulator og anden programmerbar filter. Endelig slut enkelt foton detektorer for forbrugsmåling.
  2. Programmerbare filter drift
    Bemærk: Afhængigt af den specifikke anvendelse/måling udføres, QFC kontrolparametre vil variere og fase og amplitude masker anvendes til frekvens tilstande skal fastsættes i overensstemmelse hermed. Amplitude maske kan bruges til at dæmpe eller blokere visse frekvens tilstande og fase maske kan give en vilkårlig faseskift på hver tilstand.
    1. Bestemme de nødvendige masker til det ønskede program/måling.
    2. Via de programmerbare filter visuelle interface22, indstille amplituden af de ønskede frekvens tilstand kanaler og dæmpe alle andre.
    3. Ligeledes anvende den fase maske (fase anvendes til uønskede kanaler er uden betydning, da de er fuldt ud svækkede). Kontrollere filteret programmerbar med en visuel grænseflade hvor de ønskede frekvenser er valgt.
  3. Fase modulation drift
    1. Bruger fase modulation, drevet af en periodisk signal, opdele hver spektrale komponent i side-bands jævnt fordelt af hyppigheden af signalgenerator, der drivende fase modulator. Brug dette til at blande flere forskellige quantum frekvens tilstande, analogt med rumlige beam-splittere i sti-entanglement ordninger. I quantum regime anses elektro-optiske fase modulation en quantum spredning operation23.
    2. Bestemme målet frekvens tilstande (afhængig af Equation 01 og måling/behandlingen udføres) og beregne spænding mønster (frekvens og amplitude til en Sinusgenerator) for at optimere den ønskede Equation 10 værdier (se nedenfor for nogle detaljer om dette).
    3. Tilslut signalgenerator til RF forstærker ved hjælp af lav-loss kabler (såsom SMC kabler). Tilslut RF-forstærker output til fase modulator, også ved hjælp af passende RF kabler. Når alle RF ender er forbundet og korrekt afsluttet, bias RF forstærker.
    4. Sikre, at RF forstærker har tilstrækkelig udgangseffekt til at drive den elektro-optisk fase modulator med nok spænding til at opfylde de ønskede blanding betingelser – disse er på rækkefølgen af flere Equation 11 (halv-bølge spænding af fase modulator). Også sikre, at RF kabler og stik er tilstrækkelige for rækken båndbredde og hyppigheden af de drivende signal.
    5. Indstille RF signalgenerator, (som er drivkraften bag den fase modulator) på en frekvens, som vil overlappe de ønskede tilstande med de oprettede side-bands (fx., 33 GHz).
    6. Tænde signalgenerator at blande frekvens tilstande.
    7. For at kontrollere, at den korrekte graduering er anvendt, sende en kontinuerte laser gennem fase modulator og kontrollere, at output spektrum svarer til den tilsigtede modulation ved hjælp af en optisk spectrum analyzer (graduering parametre kan være yderligere optimeret, se bemærkninger).
      Bemærk: Optimere blanding af frekvens tilstande (bestemmelse af optimal funktion frekvens og amplitude) er meget afhængig af den ønskede blanding ordning, eksperimentere, der udføres og oplyse dimensionalitet Equation 01 . Hvis det er muligt, bør at blande ordninger blande tilstande tæt på den oprindelige frekvens tilstand (på lav-heltal sidebands) for at øge den blanding effektivitet. For eksempel, hvis Equation 12 , blanding anbefales at opstå halvvejs mellem to frekvens tilstande (således fase modulation bør drives på en frekvens, der har et heltal flere lig med halv quantum mode frekvens linjeafstanden, eller gratis spektrale range (FSR)). Men for Equation 13 , blande anbefales at forekomme i tilstanden center frekvens (fase modulation bør føres på en frekvens med et heltal flere lige til FSR). For eksempel, med Equation 13 og mikro-hulrum Equation 14 GHz, fase modulation kørsel signal er indstillet til 33.33 GHz således, at den Equation 15 sidebånd overlapper de nærliggende frekvens tilstande - mens også tilstrækkelig intensitet i centrum frekvens tilstand. Dette resulterer i overlapning af sidebands tilstødende tilstande Equation 16 , Equation 17 og Equation 18 på center frekvens mode Equation 17 . Figur 4a visualiserer et eksempel på den graduering og sidebånd koefficienter. Hver frekvens tilstand gennemgår den samme fase modulation og skaber den samme sidebånd distribution, men centreret om den oprindelige frekvens tilstand (figur 4a). For en enkelt frekvens tilstand, er sidebånd amplituder beregnet som koefficienterne af en Fourierrækker24,
      Equation 19
      hvor Equation 10 overføres amplitude til den Equation 20 -th sidebånd, Equation 21 er den frekvens, som fase modulator er drevet på, Equation 22 er fase modulation mønster (periodiske med hyppighed Equation 21 ), og Equation 23 er den argument for funktionen periodisk graduering (Equation 24). For en sinusformet drivende signal, Equation 25 , side-band amplituder er beskrevet af Jacobi-vrede ekspansion,
      Equation 26
      Equation 27
      hvor Equation 28 er den Equation 20 -th ordre Bessel-funktion af den første slags evalueres på Equation 29 og Equation 30 er den maksimale faseskift (hvor Equation 31 er enkelttonet drivende signalets spænding amplitude).

3. behandling af de høj-dimensionelle frekvens-bin viklet stater

  1. Enkelt foton spektrum
    1. Indsæt en enkelt foton detektor efter filtrering af feltet excitation fra QFC på outputtet af en programmerbar filter.
    2. Via computersoftware programmerbare filter feje over fuldt programmerbare filter båndbredde ved hjælp af en smal bandpass filter amplitude maske, måle foton count priser som en funktion af frekvens. For eksempel, hvis en visuel grænseflade/kontrol script i MATLAB bruges (der er forbundet med programmerbare filter kontrol og timing elektronik), angive de ønskede båndbredde filterværdier og trin nummer og klik på "Kør". Sikre tilstrækkelig integration tid til at få ordentlig photon tæller.
    3. For at rekonstruere spektrum fra disse data, plot (f.eks. ved hjælp af en Matlab script) foton count satser mod den tilsvarende bølgelængde (bandpass filter center) hvor de er erhvervet.
  2. Tilfældighed måling
    1. Hvis du vil udføre en tilfældighed måling, split og dirigere signal og Stjernehjulsforing fotoner til at adskille enkelt foton detektorer. Hvis filteret programmerbare har flere porte, bruge det til at udføre adskillelse. Ellers, indsætte en tætte-bølgelængde division multiplexer (DWDM) før enkelt foton detektorer og bruges til at dirigere fotonerne.
    2. Vælg et signal og Stjernehjulsforing par (for eksempel, de anden resonans linjer excitation frekvens, signal-2 og stjernehjul-2) ved hjælp af de programmerbare filter (via den medfølgende software interface) og dirigere dem til to separate enkelt foton detektorer. For eksempel for WaveManager software, klik på undermenuen Flexgrid, klik på "Tilføj" og angive den bølgelængde og output port for den valgte kanal22.
    3. Indspille ankomsttidspunktet signal og Stjernehjulsforing fotoner ved hjælp af tid-til-digital konverter. Fra disse målinger, beregne tidsforsinkelse mellem de to fotoner. Afbilde et histogram (f.eks. ved hjælp af en Matlab script) af tilfældighed tæller for en tidsforsinkelse Equation 32 mellem signal og stjernehjul – dette giver en tilfældighed måling.
      Bemærk: Bil metriske sammenligner antallet af ægte tilfældighed tæller fra de genererede photon par med tilfældig tilfældighed tæller som følge af multi photon processer og mørke tæller.
    4. Fra den ovenfor beregnede måling, skal du registrere antallet af tællinger i center peak (tilfældigheder udspringer af fotoner produceret i samme pulsen, centreret omkring nul forsinkelse, Equation 33 ) — som er tilfældigt værdi.
    5. Optage det gennemsnitlige antal tællinger i hver side-peak (tilfældigheder af fotoner produceret i forskellige pulser, hvor Equation 32 er et multiplum af pulsen tog periode, dvs., inverse af gentagelse puls), som er den tilfældige værdi.
      Bemærk: Bilen er simpelthen forholdet mellem disse to værdier (tilfældighed værdi/tilfældig værdi).
  3. Tæthed matrix genopbygning
    Bemærk: Proces for tæthed matrix genopbygning afhænger af flere parametre for tilstanden quantum: dimensionalitet af fotonerne, antallet af fotoner, og hvilke tilstande er der måles. Antallet af rå målinger, som kræves er ligEquation 34, hvorEquation 01er dimensionalitet ogEquation 35er antallet af fotoner. Så for eksempel, en to-foton par med en dimensionalitet afEquation 13vil kræve 81 målinger. Denne protokol vil skitsere den generelle proces for tæthed matrix genopbygning, med eksempler for et parEquation 13frekvens tilstand fotoner.
    1. Bestemme et sæt grundlag vektorer for den ønskede tilstand og et sæt af projektion vektorer (se nedenfor for detaljer om hvordan man korrekt vælger disse).
    2. Med en tilfældighed måling, skal du bruge enten en programmerbar filter eller en DWDM rute signal og Stjernehjulsforing fotoner til at adskille enkelt foton detektorer.
    3. Via programmerbare filter software kontrol, Vælg de ønskede frekvens tilstande og dæmpe alle andre. Angiv fasen maske værdier at realisere hver projektion wavevector individuelt og optage en tilfældighed måling. Det er vigtigt at indrømme den samme integration mellem forskellige projektion tilfældighed tæller.
    4. Ved hjælp af en brugerdefineret computer script, beregne matrixen tæthed af fotoner ved hjælp af rå tilfældigt antal målinger af hver projektion wavevector (se nedenfor for relevante beregningsmæssige detaljer).
      Bemærk: Ved fastsættelsen af basis vektorer for matrix densitetsmåling, skal de span stat plads. For eksempel tilfældet er grundlag vektorer
      Equation 36
      For en stat Equation 37 , density matrix beskriver tilstanden quantum af,
      Equation 38
      Matrixen tæthed være for nogen reelle fysiske system skal være en positiv-konkret, Hermiteske matrix - men på grund af støj, dette kan ikke altid tilfældet. I eksempel tilfældet med den valgte grundlag, kan wavevector for den ideelle maksimalt frekvens-viklet stat være repræsenteret som
      Equation 39
      og den teoretiske tæthed matrix ville således være:
      Equation 40
      Projektion er målinger på en række projektion wavevectors, Equation 41 . Tilfældighed tæller for hver projektion er givet som,
      Equation 42
      hvor Equation 43 er en konstant (se nedenfor for en definition).
    5. Vælg en ortogonale sæt af Equation 44 , normaliseret matricer, Equation 45 , således at
      Equation 46
      hvor Equation 47 spor, Equation 01 er dimensionen, Equation 35 er antallet af fotoner, og Equation 48 er Kronecker delta-funktionen. Disse matricer kan konstrueres ved hjælp af den særlige unitær SU (Equation 01) generatorer (som der er Equation 49 ), sammen med den identitet matricen, gennem alle mulige tensor produkt kombinationer25. Se nedenfor for eksempel tilfældet ortogonale matricer.
    6. Rekonstruere tæthed matricen, Equation 50 , via de følgende relationer,
      Equation 51
      Equation 52
      Equation 53
      Equation 54
      hvor Equation 55 er photon tæller den Equation 56 -th projektion vektor, Equation 57 projektion vektorer (se næste trin), hvor Equation 58 og Equation 59 er beregnet ud fra ligningen definition.
      Bemærk: Projektion wavevectors for eksempel tilfældet er,
      Equation 60Equation 61
      Equation 62
      Equation 63
      Equation 64
      Equation 65
      Equation 66
      Equation 67
      Equation 68
      Eksperimentelt, er disse wavevectors realiseret ved at videregive de relevante faseskift på hver tilstand via filteret programmerbare. Henvise til tidligere offentliggørelse25 for diskussion om projektion vektorer. Den ortogonale sæt af matricer, Equation 69 for eksempel tilfældet vælges først bruger SU(3) generatorer samt identitet matrix,
      Equation 70
      Equation 71
      Equation 72
      Equation 73
      Equation 74
      Equation 75
      Equation 76
      Equation 77
      Equation 78
      og er beregnet som,
      Equation 79
    7. For en mere indgående drøftelse af høj-dimensionelle tilstand genopbygning, henvises til reference 25 25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den skitserede ordning til produktion og kontrol af høj-dimensionelle frekvens-bin stater (baseret på excitation af ulineære mikro-huller, figur 1) er vist i figur 2. Denne installation bruger standard telekommunikation komponenter og er meget fleksible i den photon produktionen og forarbejdningen anvendes. Figur 3 viser en karakterisering af ordningen generation gennem tilfældigt sats og bil som funktion af gentagelseshyppighed, demonstrerer, at produktionen af photon par kan forhøjes uden faldende bilen. I sektionen kontrolelementer for mulighed programmerbare filtre og fase modulatorer (figur 4A) for sammenhængende styring af photon wavefunctions. En sådan kontrolordning bruges til at udføre quantum stat tomografi af en Equation 13 , to-foton system at rekonstruere stat tæthed matrix, som vist i figur 4B. Resultaterne viser fremragende enighed mellem de målte og maksimalt indfiltrede stater, med en opnåede troskab 80.9%.

Figure 1
Figur 1: pulserende quantum frekvens kam generation. En pulserende felt ophidser en enkelt ikke-lineære mikro-hulrum resonans (grøn). Spontan fire-bølge blanding medierer udslettelse af to fotoner fra excitation spektral-mode og generation af to datter fotoner, kaldet signal og stjernehjul (rød og blå), spektralt symmetrisk til excitation. Foton par er også i en quantum superposition af frekvens tilstande defineret af resonanser, sådan at i eigenbasis defineres af staten Hamiltonske, wavefunction er repræsenteret ved en normaliseret summen af symmetrisk frekvens-mode egenvektorer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Platform for praktiske high-dimensionelle quantum stat generation og control. Mikro-ring resonator26,27 er indlejret i en større, eksterne hulrum. Denne eksterne hulrum består af en aktiv elektro-optisk amplitude modulator drevet af et signalgenerator, en optisk gevinst komponent og en smal sporgruppe-pass filter, med den sidstnævnte begrænse den cirkulerende excitation puls til et pass-band svarende til en enkelt mikro-hulrum resonans. Quantum frekvens kamme genereret gennem denne ordning (figur 1) er filtreret fra feltet excitation og videregive til kontrol fase via et notch-filter. Her, kan en sammenkædning af programmerbare filtre og elektro-optisk fase modulatorer (drevet af et forstærket signal fra et RF signalgenerator) bruges til at manipulere staten. I forarbejdningstrin, stjernehjul og signal fotoner dirigeres til separate enkelt-foton detektorer ved hjælp af en DWDM og tidsforsinkelsen måles ved hjælp af timingen elektronik. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: den målte tilfældighed sats (øverst) og tilfældighed at utilsigtet ratio (bil) (nederst) for photon par svarer til signal-2 og stjernehjul-2 frekvens tilstande som funktion af stigende gentagelseshyppighed for harmonisk tilstand-låst pulserende excitation. Som puls form og peak beføjelser blev opretholdt for forskellige gentagelse satser, blev tilfældighed sats fundet at vokse lineært mens bilen var stort set bevaret. Det lille fald i bil og dets ufuldkommen lineært fald er tilregnes at små afvigelser fra den målrettede excitation magt. Fejllinjer svarer til en standardafvigelse beregnet for fem målinger. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: generation af sidebands via elektro-optisk fase modulation (øverst) og eksempel tæthed matrix genopbygning for D = 3 (nederst). (en) frekvens sidebånd generation af et elektro-optisk modulator som funktion af frekvensen Equation 80 , med side-bands fordelt af hyppigheden af modulerende signalet, Equation 81 . FSR: eksempel gratis spektrale vifte af en mikro-ring resonator. (b) eksperimentelle tæthed matrix genopbygning af et D = 3 frekvens-bin viklet ind to-foton tilstand (reelle og imaginære dele på venstre og højre, henholdsvis). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 telekommunikationsinfrastrukturer. Generation teknikker kunne også blive vedtaget for andre optiske mikro-huller i tænderne – som anden-ordens nonlinear mikro-hulrum28, mikro-diske29, fotoniske krystal bølgeledere30,31, osv.

Fremskridt inden for ordningen magnetisering vil bane vejen for høje produktions priser, nødvendige for quantum edb-programmer. Selv om produktionen sats for vores generation ordningen kan forhøjes med mode-låsning ved højere harmoniske frekvenser, kan supermode støj føre til ustabilitet på disse højere gentagelse satser. Undertrykkelse af denne støj kan ske med teknikker som hulrum længde graduering32,33, ikke-lineære kompensation34og høj-finesse supermode filtrering teknikker35,36.

Forbedringer i systemet vil resultere i endnu højere photon produktion priser. De samlede tab for kontrol del var 14,5 dB (1 dB for notch filter, 4,5 dB for den første programmerbare filter, 3,5 dB for fase modulator og 4,5 dB for den anden programmerbare filter). Produktion priser kunne være øget mange-fold gennem kan realiseres reduktioner i tab – med en let tilgængelige forbedring af 5 dB ved at integrere mange af kontrol komponenter anvendt i opsætningen af i en enkelt kompakt, lavere-loss optiske chip.

Forbedret kontrol af frekvens-mode blanding gennem bedre målrettet sidebånd oprettelsen vil give mere effektiv gates og højere produktion priser. Da sandsynligheden for spredning afhænger graduering kørsel signal (mønster, frekvens og amplitude) og elektro-optisk modulator specifikationer, skal disse være i realm effektivt overlapper modes (generere side-bands) på den ønskede blanding frekvenser, der kræver RF (GHz) signal hastigheder, state-of-the-art spænding forstærkere og lav Equation 11 fase modulatorer.

Nuværende programmerbare filtre er begrænset spektrale båndbredde og opløsning; det udstyr, der anvendes i de oprindelige demonstrationer havde en båndbredde fra 1527.4 nm-1567.5 nm og en opløsning på 12,5 GHz. Med en mikro-ring FSR 200 GHz giver programmerbare filteret adgang til 10 signal og 10 Stjernehjulsforing frekvenser. Dimensionalitet af disse quantum stater kunne let nå værdier upwards af Equation 82 (svarende til så mange som 14 qubits) med fremskridt inden for programmerbare filter båndbredde/opløsning og optisk hulrum FSR – alt sammen uden at øge fodaftryk af opsætningen .

Med QFC platform her skitserede, viser vi den generation af og kontrol med komplekse quantum stater i en kompakt, omkonfigurerbare, og praktisk måde. Højdepunkterne i vores ordninger er kapacitet til høj generation satser af ren enkelt fotoner og globale drift på alle stater med enkeltkomponenter, så skalerbarheden i form af masseproducerede, billig og integreret fotoniske chips og tilgængelige telekommunikation komponenter. Brug denne QFC platform, er betydelige skridt gjort mod quantum edb-teknologier. Quantum meddelelse til høje priser er kan realiseres med multipleksede kanaler, tillader sikker information overførsel til meget effektive priser, mens high-dimensionelle quantum computing er et tredje felt, der kunne hjælpe overvinde begrænsningerne af kvantecomputer-baseret beregning37.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

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)

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

Engineering integreret sag 136 Kvanteoptik fotoniske enheder mode-låst lasere ikke-lineær optik fire-bølge blanding frekvens kamme høj-dimensionelle stater
Generation og sammenhængende kontrol af pulserende Quantum frekvens kamme
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