Summary

Generación y Control coherente de peines de frecuencia pulsada Quantum

Published: June 08, 2018
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Summary

Se presenta un protocolo para la generación de práctica y manipulación coherente de Estados de fotones de frecuencia multidimensional-bin enredado con cavidades de micro integradas y componentes de telecomunicaciones estándar, respectivamente.

Abstract

Se presenta un método para la generación y manipulación coherente de peines de frecuencia pulsada quantum. Hasta ahora, métodos de preparación de Estados de alta dimensión en el chip de una manera práctica han permanecido esquivos debido a la creciente complejidad de los circuitos cuánticos necesarios para preparar y procesar dichos Estados. Aquí, describimos cómo alta dimensión, frecuencia-bin enredado, Estados dos fotones pueden generarse a una velocidad estable, alta generación mediante el uso de una cavidad anidados, activamente bloqueado por el modo de excitación de una micro no lineal de la cavidad. Esta técnica se utiliza para producir peines de frecuencia pulsada quantum. Además, te presentamos cómo los estados cuánticos pueden ser coherente manipulados utilizando componentes de telecomunicaciones estándar filtros programables como moduladores electro-ópticos. En particular, mostramos detalladamente cómo realizar mediciones de caracterización del estado como la reconstrucción de la matriz de densidad, detección de coincidencia y determinación del espectro de fotones individuales. Los métodos presentados forman una Fundación reconfigurable, escalable y accesible para los protocolos de preparación y manipulación de estado multidimensional compleja en el dominio de la frecuencia.

Introduction

El control de fenómenos cuánticos abre la posibilidad de nuevas aplicaciones en campos tan diversos como quantum seguro comunicaciones1,2y3de detección cuántica de procesamiento de la información de quantum de gran alcance. Mientras que una variedad de plataformas físicas están investigando activamente para las realizaciones de quantum technologies4, Estados cuánticos ópticos son candidatos importantes como exhiben tiempos largos de la coherencia y estabilidad de ruido externo, excelente propiedades de transmisión, así como la compatibilidad con los existentes de telecomunicaciones y tecnologías de silicio viruta (CMOS).

Para realizar plenamente el potencial de fotones para tecnologías cuánticas, contenido de la información y la complejidad del estado puede incrementarse mediante el uso de múltiples partidos enredados o alta dimensionalidad. Sin embargo, la generación de la en-viruta de esos Estados ópticos carece de practicidad como configuraciones son complicados, no perfectamente escalable, o utilizan componentes altamente especializados. Específicamente, enredo de la ruta de acceso multidimensional requiere Equation 01 fuentes idénticas emocionado coherente y elaborados circuitos de divisores de viga5 (donde Equation 01 es la dimensionalidad del estado), mientras que complejo entrelazamiento de tiempo Interferómetros de múltiples brazos6. Notablemente, el dominio de la frecuencia es adecuado para la generación escalable y control del complejo de los Estados, como lo demuestra su reciente explotación en quantum frecuencia peines (QFC)7,8 usando una combinación de óptica integrada y de infraestructuras de telecomunicaciones9y proporciona un marco prometedor para tecnologías de la información cuántica futuro.

QFCs de la en-viruta se generan usando efectos ópticos no lineales en cavidades del micro integradas. Con tal no lineal micro-resonador, dos fotones enredados (conocidos como señal y rueda loca) se producen mezclando espontáneo cuatro-agite, a través de la aniquilación de dos fotones de excitación, con el par resultante generado en una superposición de la cavidad modos de frecuencia resonante uniformemente espaciados (figura 1). Si hay coherencia entre los modos de frecuencia individual, un estado de frecuencia-bin enredado es formado10, que se refiere a menudo como un modo-bloqueado dos fotones estado11. Esta función de onda del estado puede ser descrita por,

Equation 02

Aquí, Equation 03 y Equation 04 son la loca de frecuencia unimodales y señal componentes, respectivamente, y Equation 05 es la amplitud de probabilidad para el Equation 06 par de modo señal loca – th.

Manifestaciones anteriores de la en-viruta QFCs destacan su versatilidad como plataformas de información cuántica viable e incluyen peines de fotones correlacionados12fotones polarización transversal13,14,de fotones enredados15 , 16, fotones múltiples estados15y frecuencia-bin enredado Estados9,17. Aquí, ofrecemos una descripción detallada de la plataforma QFC y un protocolo para frecuencia multidimensional-bin enredado estado óptico generación y control.

Aplicaciones de futuro cuántico, especialmente aquellos para interconectar con la electrónica de alta velocidad (para el procesamiento de la información), exigen la alta tasa de generación de Estados de los fotones de alta pureza en una configuración compacta y estable. Utilizamos un esquema cavidad activa modo-bloqueado, anidados para producir QFCs dentro de las telecomunicaciones, las bandas de frecuencia S, C y L. Un anillo de micro se incorpora a una cavidad más grande laser pulsado, con aumento óptico (proporcionado por un amplificador de fibra dopada de erbio EDFA) filtrada para que coincida con el ancho de banda de micro anillo excitación18. Modo de bloqueo se realiza activamente mediante modulación de electro-óptico de la cavidad pérdidas19. Un aislador se asegura de que la propagación del pulso sigue una sola dirección. El tren de pulsos resultante tiene ruido muy bajo de la media cuadrática (RMS) y exhibe las tasas de repetición armoniosa y poderes de pulso. Un filtro de muesca de alto aislamiento separa los fotones emitidos de QFC desde el campo de excitación. Estos fotones solo entonces son guiados a través de las fibras para el control y detección.

Nuestro esquema es un paso hacia una alta tasa de generación, fuente QFC de tamaño pequeño, como todos los componentes utilizados potencialmente pueden ser integrados en un chip fotónico. Además, la excitación pulsada es particularmente adecuada para aplicaciones de quantum. En primer lugar, mirando un par de resonancias micro cavidad simétricas a la excitación, que genera dos fotones Estados donde cada fotón se caracteriza por una frecuencia única modo – central lineal cuántica óptica informática20. Así, los Estados múltiples del fotón pueden ser generados por hacia regímenes de excitación de energía superiores y seleccionando múltiples pares señal loca15. En segundo lugar, como fotones se emiten en las ventanas de tiempo conocido corresponde a la excitación pulsada, post-proceso y control se pueden implementar para mejorar la detección de estado. Quizás más significativamente, nuestro esquema compatible con velocidades de alta generación de Estados del fotón con bloqueo de modo armónico sin reducir la proporción de coincidencia a accidental (coche) – que podría allanar el camino para la información cuántica de alta velocidad, varios canales tecnologías.

Para demostrar el impacto y la viabilidad del dominio de la frecuencia, debe realizarse control de QFC Estados de maneras específicas, garantizando las transformaciones eficientes y coherencia del estado. Para satisfacer tales requisitos, utilizamos filtros programables en cascada y moduladores de fase – componentes establecidos en la industria de telecomunicaciones. Filtros programables pueden utilizarse para imponer una amplitud espectral arbitraria y una máscara de fase de los fotones individuales, con una resolución suficiente para abordar cada modo frecuencia individualmente; y moduladores electro-ópticos fase impulsados por generadores de señal de radiofrecuencia (RF) facilitan la mezcla de componentes de frecuencia21.

El aspecto más importante de este esquema de control es que funciona en todos los modos de cuántica de los fotones simultáneamente en un solo modo espacial, utilizando los elementos de mando único. Aumenta la dimensionalidad del estado cuántico no conducirá a un aumento en la complejidad de la instalación, a diferencia de esquemas de ruta-tiempo-compartimiento o enredo. Así, todos los componentes son reconfigurable externamente (es decir, las operaciones pueden modificarse sin modificar la configuración) y utilizar la infraestructura de telecomunicaciones existente. Por lo tanto, existentes y futuros desarrollos en el campo de procesamiento óptico ultrarrápida pueden ser transferidos directamente al control de estados cuánticos escalable en el futuro.

En Resumen, la explotación del dominio de la frecuencia de QFCs apoya la generación de altas tasas de complejos estados cuánticos y su control y así está bien adapta para la utilización de complejos Estados hacia tecnologías cuánticas prácticas y escalables.

Protocol

1. generación de la papelera de frecuencia multidimensional enredado Estados a través de excitación pulsada Siguiendo el esquema que se indica en la figura 2 (etapa de generación), Conecte cada componente utilizando fibras ópticas-mantenimiento de la polarización (para mayor estabilidad ambiental). Conectarse a una fuente de alimentación del modulador de amplitud electro-ópticos y aplicar un desplazamiento de tensión DC, ajuste el valor de desplazamiento hasta qu…

Representative Results

El esquema delineado para la generación y control de los Estados de frecuencia multidimensional-bin (basado en la excitación de no lineales micro cavidades, figura 1) se muestra en la figura 2. Esta configuración utiliza componentes estándar de las telecomunicaciones y es altamente flexible en la tasa de producción de fotones y el proceso aplicado. La figura 3 muestra la caracterización del sis…

Discussion

El óptico-dominio de la frecuencia, a través de QFCs, es una ventajoso en aplicaciones de quantum para una multitud de razones. Operaciones son globales, actuando sobre todos los Estados simultáneamente, que resulta en un diseño que no escala en tamaño o complejidad a medida que aumenta la dimensión de estado. Esto es mayor como pueden ser reconfigurada sobre la marcha sin cambiar la configuración de los componentes y son capaces de ser integrados en el chip explotando existentes o desarrollo de infraestructuras d…

Acknowledgements

Agradecemos a R. Helsten conocimientos técnicos; P. Kung de QPS Photronics por la ayuda y equipos de procesamiento; así como QuantumOpus y N. Bertone de componentes optoelectrónica por su apoyo y por facilitarnos equipo de detección de fotones de vanguardia. Este trabajo fue hecho posible por las siguientes fuentes de financiación: Ciencias naturales e Ingeniería investigación Consejo de Canadá (NSERC) (Steacie, estratégico, descubrimiento y aceleración esquemas de becas, Vanier Canadá becas de posgrado, beca de USRA); Paso (IT06530) y PBEEE (207748); Iniciativa de PSR-SIIRI MESI; Programa de Cátedra de investigación de Canadá; Proyectos de descubrimiento Consejo de investigación australiano (DP150104327); Investigación de horizonte 2020 de la Unión Europea y el programa de innovación en Marie Sklodowska-Curie grant (656607); Programa de CityU SRG-Fd (7004189); Programa de investigación prioridad estratégica de la Academia China de Ciencias (XDB24030300); Programa de personas (acciones Marie Curie) del programa FP7 de la Unión Europea acuerdo de subvención del REA INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Gobierno de la Federación de Rusia a través del ITMO becas y programa de Cátedra (Grant 01 074-U); 1000 talentos programa de Sichuan (China)

Materials

Superconducting Nanowire Single-Photon Detector System Quantum Opus Opus One
Electro-optic phase modulator EO-Space Low loss model
Programmable filter Finisar  WaveShaper 4000s
Timing electronics PicoQuant HydraHarp 400
Micro-ring resonator 200 GHz FSR micro-ring resonator made from high refractive index glass. See Ref. 24 for platform details.
Erbium-doped fiber amplifier Keopsys PEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA
Electro-optic amplitude modulator Oclaro  SD40
RF tone source Rohde & Schwarz SMP 04
RF tone amplifier RF-Lambda RFLUPA27G34GA
Function generator Tetronix AFG 3251
Isolator General Photonics NISO-S-15-SS-FC/APF
Oscilloscope Tetronix  TDS5052B
Photodiode Finisar XPDV 50 GHz
DWDM OptiWorks DWFUQUMD08BN
Power supply Madell CA18303D

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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).

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