Waiting
Login processing...

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

Engineering

نظام ضوئي لتوليد الفوتونات غير المشروطة المتشابكة بالاستقطاب استنادًا إلى تداخل الكم المتعدد

Published: September 5, 2019 doi: 10.3791/59705
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Physics, Tokyo University of Science

Summary

نحن نصف نظام بصري لتوليد الفوتونات غير المشروطة المتشابكة الاستقطاب على أساس تأثيرات تداخل الكم متعددة مع مخطط الكشف لتقدير الإخلاص التجريبي للفوتونات المتشابكة المولدة.

Abstract

نحن نقدم مصدرا عالي الأداء من الفوتونات غير المشروطة المتشابكة الاستقطاب التي لديها معدل عالية الانبعاثات، وتوزيع النطاق العريض، وتتدهور ومرحلة ما بعد الاختيار مجانا. وتستند خاصية المصدر إلى تأثير التداخل الكمي المتعدد مع تكوين ذهابا وإيابا من مقياس التداخل Sagnac. آثار التداخل الكمتجعل من الممكن استخدام كفاءة توليد عالية من الفوتونات المتشابكة الاستقطاب لمعالجة تحويل البارامترية إلى أسفل، وفصل أزواج الفوتون المنحط في أوضاع بصرية مختلفة دون اختيار ما بعد شرط. وقد وُصف مبدأ النظام البصري واستُخدم تجريبياً لقياس بارامترات الإخلاص وبيل، وكذلك لتوصيف الفوتونات المولدة المتشابكة بالاستقطاب من ما لا يقل عن ست مجموعات من البيانات المرتبطة بالاستقطاب. تجاوز ال [ا] تجريبيّا ينال إخلاص و [بلّ] معلمات الكلاسيكيّة محلّية إرتباط حد وبيّنة واضحة من الجيل من فوتونات غير مشروط [كلرأيشن-ينكّد].

Introduction

وقد اجتذبت حالة متشابكة من الفوتونات اهتماما كبيرا في دراسة الواقعية المحلية في نظرية الكم والتطبيقات الجديدة من التشفير الكم1، الكم الكثيفة الترميز2، مكرر الكم3، والكم النقل عن بعد4. التحويل المكافئ التلقائي (SPDC) هو عملية غير خطية من الدرجة الثانية تم تقديمها لإنتاج أزواج فوتون متشابكة مباشرة في حالات الاستقطاب. ونظرا للتطور الأخير في تقنيات المطابقة شبه المرحلة، أصبحت KTiOPO4 (ppKTP) وLiNbO3 (ppLN) تقنية قياسية5. يتم تطوير عدة أنواع من مصادر التشابك من خلال الجمع بين هذه البلورات غير الخطية مع مقياس التداخل Sagnac6،7،8. وعلى وجه الخصوص، فإن المخطط الذي يحتوي على أزواج فوتون مستقطبة من النوع الثاني التي تم الحصول عليها من قبل مجلس الدولة للسلام والتنمية يجعل من الممكن توليد فوتونات غير مشروطة متشابكة بالاستقطاب، وكذلك فصل أزواج فوتون اتّحاد منحطّة الاستقطاب في بصريات مختلفة وسائط دون الكشف عن ما بعدانتقائية 7.

وعلى النقيض من ذلك، فإن نوع 0 SPDC لديه ميزة الإعداد بسيطة ونسبة عالية الانبعاثات من أزواج الفوتون9. وعلاوة على ذلك، تظهر أزواج الفوتون التي تم إنشاؤها في نوع 0 SPDC عرض نطاق أوسع بكثير من الفوتونات من نوع II SPDC. إجمالي معدل إنتاج زوج الفوتون لكل وحدة مضخة الطاقة هو أمرين من حجم أعلى بسبب عرض النطاق الترددي الكبير8. عرض نطاق ترددي كبير من أزواج فوتون مترابطة يسمح وقت صدفة قصيرة جدا بين أزواج الفوتون الكشف عنها. وقد أدت هذه الخاصية إلى العديد من التطبيقات المحتملة مثل الكم التصوير المقطعي التماسك البصري10، لتحقيق ارتباطات زمنية قصيرة جدا من خلال التفاعلات غير الخطية مع تدفق الفوتونات المتشابكة11، القياس طرق استخدام تراجع ضيق جدا في تدخل الكم12،تزامن ساعة الكم13،قياس التشابك تردد الوقت14،ومتعددة التشابك تردد15. ومع ذلك، يتطلب النظام مع نوع 0 SPDC العادي مخططات الكشف المشروط6 أو تصفية الطول الموجي8 أو تصفية الوضع المكاني لفصل الفوتونات المتشابكة الاستقطاب ولدت16.

لقد أدركنا خطة ترضي خصائص كل من النوع 0 والنوع الثاني SPDC في وقت واحد على أساس عمليات تداخل الكم متعددة17. وقد وُصفت تفاصيل النظام البصري واستُخدمت تجريبياً لقياس البارامترات التي تميز الفوتونات المولدة المتشابكة بالاستقطاب باستخدام الحد الأدنى من البيانات التجريبية.

يمكن كتابة متجه جونز من أفقي (H) وعمودي Equation 1 (V) حالة الاستقطاب و Equation 2 . يتم بناء جميع حالات الاستقطاب النقي الممكنة من المناصب العليا المتماسكة لهذه الدولتين الاستقطاب. على سبيل المثال، يتم تمثيل قطري (D)، المضادة للقطري (A)، اليمين الدائري (R)، والضوء الأيسر الدائري (L)، على التوالي، من قبل:

Equation 3,

Equation 4, (1)

Equation 5و

Equation 6,

[ه] و [ف] دعات المستقيمة استقطاب أسس. وتسمى D و A قواعد الاستقطاب قطري. وتسمى R و L قواعد الاستقطاب الدائري. ويمكن تمثيل هذه الحالات النقية والمختلطة أيضا من الاستقطاب بمصفوفات الكثافة على أساس H- و V-الاستقطاب أسس18.

ويرد مبدأ تشغيل المخطط في الشكل 1أ-ه. يتم حقن الليزر في مقياس التداخل Sagnac الاستقطاب تتألف من الخائن شعاع الاستقطاب (PBS)، واثنين من لوحات نصف موجة تعيين إلى 45س (HWP1) و 22.5س (HWP2)، والكريستال ppKTP، والمرايا. الاستقطاب البصريات مع هذا الإعداد العمل لكل من الطول الموجي لمجال الليزر مضخة والفوتونات أسفل تحويلها.

يمر المكون H من الليزر مضخة من خلال PBS كما هو مبين في الشكل 1a ورحلات ذهابا الإعداد في اتجاه عقارب الساعة (CW). تم عكس استقطاب ليزر المضخة إلى الحالة القطرية (D) من خلال HWP2. هنا يعمل ال [ف-كونبمنك] من المضخة ليزر ل [داون-دفيلّد], وال ينتج فوتونات [ف-بولريزد] مع [تب-0] [سدكم]. يمكن تمثيل حالة الاستقطاب SPDC أزواج الفوتون التي تم إنشاؤها على النحو:

Equation 7.  (2)

أزواج الفوتون أسفل المحولة هي H-الاستقطاب من خلال HWP1 تعيين إلى 45س كما هو مبين في الشكل 1b، وحالة الاستقطاب يصبح:

Equation 8. (3)

شعاع الليزر مضخة حقن مرة أخرى أزواج الفوتون المقلوب في ppKTP. أزواج الفوتون التي تم إنشاؤها من مجلس الدولة للسلام والتنمية الثاني هي على حد سواء V-الاستقطاب وsuperposed مع أزواج الفوتون التي تم إنشاؤها بواسطة SPDC الأول لوضع بصري خطي متداخل كما هو مبين الشكل 1c. يتم تمثيل حالة الاستقطاب أزواج الفوتون بعد مجلس الدولة للسلام والتنمية الثاني على النحو التالي:

Equation 9(4)

حيث Equation 10 هي المرحلة النسبية بين زوج الفوتون من مجلس الدولة للسلام والتنمية الأول والثاني. لا تختلف المرحلة مع مرور الوقت لأنها تحددها تشتت المواد HWP1 بين ليزر المضخة والفوتونات التي يتم تحويلها لأسفل، وقابلة للتعديل عن طريق إمالة HWP1. تم عكس حالة الاستقطاب H (V) للفوتونات التي تم تحويلها إلى حالة A (D) كما هو موضح في (1). يتم تمثيل حالة الاستقطاب لزوج الفوتون الناتج من HWP2 على النحو التالي:

Equation 11(5)

عندما يتم Equation 12 تعيين المرحلة عن طريق إمالة HWP1، يبقى فقط المصطلح الأول من الدولة (5) كما هو موضح في الشكل 1d. هذه هي عملية التداخل الكمي التي تتوافق مع عكس عملية التداخل هونغ-أو-ماندل (HOM) من أسس الاستقطاب19. عندما يمر H-فوتون من خلال PBS وينعكس V-فوتون من قبل PBS، يتم تمثيل حالة Equation 13 الاستقطاب من أزواج الفوتون الناتج من PBS كما هو الحال بالنسبة للmode1 البصرية 1 و 2 كما هو مبين في الشكل 1e.

وعلى العكس من ذلك، انعكس المكون الخامس من ليزر المضخة من قبل PBS كما هو مبين في الشكل 1f وتعثرت الجولة في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة (CCW). من خلال عمليات متعددة مماثلة من نوع 0 SPDC والتحولات الوحدوية، تصبح Equation 14 حالة الاستقطاب للناتج من PBS . عندما تم إعداد حالة الاستقطاب من الليزر مضخة في حالة قطري (D)، كانت المرحلة النسبية بين H- و V-مكونات الليزر مضخة صفر. ولذلك، فإن حالة إنتاج الفوتونات المولدة من اتجاهات الأسلحة الكيميائية والاتفاقية تُعرض بنفس السعة وتُمثَّل على النحو التالي:

Equation 15.  (6)

حالة الإخراج هي حالة الاستقطاب متشابكة المعروفة باسم واحدة من الدول بيل ويمكن تحويلها إلى ثلاث دول أخرى باستخدام عناصر البصريات الاستقطاب7. باستخدام العلاقة الموضحة في (1)، يمكن تمثيل حالة Equation 16 الإخراج بواسطة قواعد استقطاب قطري على النحو:

Equation 17وبواسطة أسس الاستقطاب Equation 18 الدائري على النحو: .

Protocol

ويتألف الإجراء المعتمد من أربع مراحل رئيسية باستخدام الإعداد التجريبي الشامل المبين في الشكل 2. وكانت المرحلة الأولى هي إعداد ليزر المضخة لمجلس الدولة للسلام والتنمية. في المرحلة الثانية، تم بناء مقياس التداخل البصري - مقياس التداخل Sagnac باستخدام الكريستال غير الخطي ومكونات الاستقطاب البصري. ويرد في المرحلة الثالثة وصف إجراء قياس الصدفة باستخدام المكونات الكهربائية المبينة في الشكل 3. وأخيراً، استُخدمت بيانات ارتباط الفوتون الفعلي المبينة في الشكل 4 لتقدير بارامترات الإخلاص وبيل للفوتونات غير المشروطة المتشابكة بالاستقطاب.

1. تكوين الليزر مضخة

  1. قم بتشغيل الصمام الثنائي الليزري أحادي التردد الذي يبلغ 405 نانومتر. ضبط الطاقة الناتجة إلى عدد قليل من mW عن طريق الحد من التيار الكهربائي المدخلات إلى الصمام الثنائي الليزر ومرشحات الكثافة المحايدة.
  2. بناء تجويف خارجي بين سطح الصمام الثنائي بالليزر وصريف الثلاثية الأبعاد (3600 مم−1)لتحقيق عملية تردد واحد يشار إليها باسم مطياف. وضع صريف الثلاثية الأبعاد حوالي 45س ضد سطح الصمام الثنائي الليزر وتتحرك ببطء المسمار لضبط درجة، وتعظيم انتاج الطاقة من تجويف عن طريق الإشارة إلى صورة شعاع.
  3. قم بفصل الليزر إلى الألياف البصرية التي تحافظ على الاستقطاب (PMF) لتشغيل عملية وضع مكاني واحد. ضبط مسامير مقرنة الألياف لتحقيق أقصى قدر من الطاقة الناتجة من PMF باستخدام مقياس الطاقة.
  4. Collimate الليزر الإخراج من PMF مع عدسة مقرنة الألياف. توجيه الليزر الإخراج من خلال عازل في وسط لوحة نصف موجة (HWP)، لوحة ربع موجة (QWP)، ومرآة dichroic قصيرة تمرير (DM) كما هو مبين في الشكل 2. لغرض توليد الفوتونات المتشابكة الاستقطاب مع الدولة كما هو الحال في (6)، تعيين حالة الاستقطاب من الليزر مضخة مع قطري (D) عن طريق تعيين HWP إلى 22.5س،وQWP إلى 0س.

2. بناء الإعداد التداخلي

  1. ضع مرآة ثنائية الشكل (DM)، ومرآة عادية، وPBS، وبلورة PPKTP ذات أبعاد: 10 مم طويلة (محور x-كريستالي)، و10 مم واسعة(y-محور)، و1 مم سميكة(z-محور) كما هو موضح في الشكل 2. يعمل ال [ببس] في على حدّ سواء الطول موجة من الليزر (405 [نم]) وأنّ من ال [أوت-ترنس] فوتونات (810 [نم]). فترة poling من الكريستال ppKTP هو 3.425 Equation 19 الذي تم تصميمه لخطي ة متداخلة-0 مجلس الدولة للسلام والتنمية مع 405 نانومتر مضخة الليزر ولها طلاء المضادة للانعكاس في كلا الطول الموجي.
  2. ضبط PBS والمرايا باستخدام الليزر مضخة (405 نانومتر) والليزر المرجعي (810 نانومتر). منذ طول من المدخلات إلى إخراج مقياس التداخل حوالي 600 ملم، وجعل الضوء المرسلة وينعكس من PBS موازية لأكثر من 600 ملم (مرغوب فيه لبضعة أمتار) لجعل مطابقة الوضع المكاني.
  3. ضع HWP1 و HWP2 في الإعداد. وهي تعمل على حد سواء 405 نانومتر و 810 نانومتر الطول الموجي. ضبط HWPs لتكون عمودية على ضوء الحادث باستخدام الضوء المنعكس من السطح. تعيين زاوية HWP1 إلى 45س و HWP2 إلى 22.5س
  4. ضع عاكس ًا في الإعداد. ضبط موقف العاكس الرجعي بحيث تكون الحزم المرجعية في اتجاه عقارب الساعة (CW) وعكس اتجاه عقارب الساعة (CCW) على نفس الوضع المكاني. ضع كاميرات الجهاز المقترن بالشحن (CCD) على الوضع ينوب عن الوضع 1 و2 في الشكل 2 لإحالة صور تحديد سمات الحزمة من إخراج مقياس التداخل. ضبط المرآة والعاكس إلى جعل الوضع المكاني مطابقة عن طريق إحالة الصور التنميط على الكاميرا.
  5. ضع عدسة تركيز بؤري بين QWP للليزر وDM. وبما أن طول مقياس التداخل من الإدخال إلى خرج مقياس التداخل يبلغ حوالي 600 مم، فحدد عدسة يبلغ طول تركيزها 300 مم. ition من مجلس الدولة للسلام والتنمية الثاني لجعل نفس المستوى كفاءة الجيل من الفوتونات التي تم تحويلها إلى أسفل بين الأول والثاني مجلس الدولة للسلام والتنمية.
  6. إزالة كاميرا CCD ووضع QWPs، المستقطبات (POLs)، مرشحات التداخل (IFs) مع مركز 810 نانومتر وعرض النطاق الترددي 3 نانومتر في الوضع 1 و 2 كما هو مبين في الشكل 2. ضبط العناصر البصرية لتكون عمودية على ضوء الحادث باستخدام الضوء المنعكس. قم بدمج أشعة الليزر المرجعية مع الألياف متعددة الوسائط باستخدام مقرنات الألياف للكشف.
  7. ضع عدسة تركيز بؤري مقاس 300 مم بين DM وQWP في الوضع 1 والوضع 2. جعل شعاع الليزر مرجع الإخراج إلى collimate للكشف.
  8. قم بتوصيل الألياف متعددة الانسطا بوحدات العد أحادية الفوتون (SPCMs) التي تم إنشاؤها من السيليكون (Si) الفوتونات اللامعة. قم بإيقاف تشغيل الليزر المرجعي. قم بتشغيل SPCMs في حالة غرفة مظلمة، وعد الفوتونات التي تم تحويلها لأسفل.
  9. ضبط درجة حرارة الكريستال ppKTP شنت على وحدة تحكم في درجة الحرارة عن طريق الرجوع إلى معدلات العد من الفوتونات التي تم تحويلها إلى أسفل. درجة الحرارة المناسبة عادة 25-30 درجة مئوية.
  10. اضبط زاوية إمالة HWP1 لزيادة معدلات عدد الفوتونات التي يتم تحويلها لأسفل إلى أقصى حد. إذا كانت معدلات العد ضعيفة جداً، قم بقياس الأعداد بدون العناصر البصرية في الوضعين 1 و2.

3. قياس إجراء العد الصدفة

  1. حدد قواعد الاستقطاب في الوضعين 1 و2 لقياس الفوتونات المتشابكة بالاستقطاب أثناء الحادث باستخدام ملوثات عضوية الملوثات العضوية الثابتة وQWPs كما هو موضح في الشكل 3. لقياس الفوتون الحادث مع قاعدة H (V)، تعيين QWP إلى 0س وPOL إلى 0س (90س). لقياس الفوتون الحادث مع قاعدة D (A)، تعيين QWP إلى 0س وPOL إلى 45س (-45س). لقياس الفوتون الحادث مع قاعدة R (L)، تعيين QWP إلى 45س (-45س)وPOL إلى 0س.
  2. قم بتوصيل إشارة منطق الترانزستور الترانزستور (TTL) التي تم إنشاؤها من SPCM في الوضع 2 بمدخلات إشارة البدء لمحول من الوقت إلى السعة (TAC)، والإشارة في الوضع 1 إلى إدخال إشارة التوقف بعد مرورها عبر خط التأخير الكهربائي (تأخير). TAC يولد إشارات كهربائية من 0 إلى 10 V المقابلة لتأخير الوقت بين إشارة اثنين.
    1. في هذه التجربة، قم بتعيين تأخير الوقت ΔT كـ 50 ns عن طريق تحديد دبابيس خط التأخير. تعيين عرض الكمبيوتر لإظهار نطاق زمني 100 ns عن طريق تعيين الطلب TAC. ثم TAC يولد 5 إشارات V كما 50 ns تأخير الوقت المعطى من قبل خط التأخير الكهربائية. ولذلك فإن إشارات 5 V تتوافق مع المصادفات في 0 ns وقت تأخير النبضات الفعلية القادمة من SPCMs. تظهر المصادفات عند 0 ns وقت التأخير في وسط نطاق وقت العرض كما هو موضح في الشكل 3.
  3. انقر فوق زر البدء للبرنامج، ويسمى MAESTRO-32، لقياس توزيع ارتفاع النبض وتسجيل التوزيع باستخدام محلل متعدد القنوات (MCA) يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر. في هذه التجربة، تعيين وقت القياس TAC لمدة 30 ق. تحليل توزيع ارتفاع نبضات TAC من 0 إلى 10 V التي تتوافق مع -50 إلى 50 ns وقت تأخير بين الفوتونات الحادث وSPCMs بواسطة الإعداد الموضح في الخطوة 3.2.
  4. بعد تسجيل توزيع ارتفاع النبض، احصل على بيانات توزيع ارتفاع النبض لعدة قواعد استقطاب كما هو موضح في الشكل 4. حدد الإطار الزمني الذي سيتم النظر فيه لأعداد المصادفات لتحليل البيانات. بما أن عرض ذروة النبض يتم تحديده من خلال وقت دقة SPCM من ~ 1 ns، فإن نافذة وقت الصدفة ضرورية لتكون أكبر من وقت الدقة.
    1. في هذه التجربة، اختر نافذة وقت الصدفة لتكون 10 ns. تقدير عدد الصدفة عن طريق دمج منطقة الإطار الزمني.

4. إجراء تقدير المعلمات الإخلاص وبيل

  1. Equation 21 تحديد الارتباطات المستقطبة من الدرجة الثانية وارتباطات Equation 22 الدرجة Equation 23 الثانية عبر الاستقطاب ، حيث يشير Equation 24 إلى حالات الاستقطاب H و D و R ، ويشير إلى حالات الاستقطاب المتداخل V و A و L. الحصول على هذه وظائف عن طريق تقسيم عدد Equation 25 الصدفة Equation 26 قياسها على مستوى الخلفية . ويبين الشكل 4 أن توزيع ارتفاع النبض المقاس فعلاً للصدفة يعد مع عدة قواعد استقطاب لـ 30 ثانية.
    ملاحظة: على سبيل المثال، الصدفة بحساب Equation 27 مع قاعدة الاستقطاب HH يعطي عدد/30 s لإطار 10 ns صدفة. يتم حساب متوسط مستوى الأرض الخلفية لنافذة الصدفة كـ 4.3 عدد/30 s. بما أنّ [سكند-وردر] إرتباطات يكون أعطيت ب Equation 28 , ال Equation 29 يستقطب [سكند-وردر] إرتباط أعمال مع استقطاب قاعدة [هه] يصبح . وبالمثل يتم إعطاء وظائف الارتباط من الدرجة Equation 30 الثانية Equation 31 مع قواعد الاستقطاب الأخرى على النحو Equation 32 كما Equation 33 يلي: ، ووعبر الاستقطاب وظائف الارتباط من الدرجة الثانية على النحو : و .
  2. تحديد درجة ارتباط الاستقطاب بين فوتونين لثلاث قواعد استقطاب محددة من قبل20،21:
    Equation 34(7)
    حيث Equation 35 يشير إلى أسس الاستقطاب من القواعد المستقيمة (H و V)، قطري (D و A)، ودائري (R و L). تعطي وظائف الارتباط من الدرجة الثانية المقاسة درجة Equation 36 كل Equation 37 قاعدة استقطاب على النحو التالي: و .
  3. تحديد دقة الفوتونات المتشابكة التي تم إنشاؤها. حساب دقة الدولة المتشابكة الاستقطاب فيما يتعلق الدولة (6) في ثلاث قواعد20،21:
    Equation 38
    وكانت درجات الارتباط المقاسة للاستقطاب Equation 39 . تجاوز الرقم ال كلاسيكيّة استقطاب إرتباط حد من 0.50.
  4. تحديد معلمات Bell للفوتونات المتشابكة التي تم إنشاؤها21. حساب المعلمات من ارتباطات الاستقطاب على النحو التالي 19،20:
    Equation 40
    Equation 41
    Equation 42
    وكانت الأسس المقاسة لارتباط الاستقطاب Equation 43 . تتجاوز هذه الأرقام حد المعلمة الكلاسيكية 2 وتنتهك عدم المساواة بيل.

Representative Results

ونوقشت النظام البصري لتوليد فوتونات متشابكة غير مشروطة لدول الاستقطاب استنادا إلى تداخلات كمية متعددة ومخططات للكشف لتقدير الإخلاص التجريبي عن طريق ارتباط الاستقطاب لأزواج الفوتون المولدة. تجاوز الإخلاص المقدر للفوتونات التي تم إنشاؤها حد الارتباط المحلي الكلاسيكي من 0.50. ال يقاس [بلّ] تجاوز معلمات الكلاسيكيّة معلمة حد من 2 وانتهك الجرس تباين. وفي هذه الورقة، استُخدمت قياسات الصدفة التي تم الحصول عليها من ما لا يقل عن ست مجموعات من قواعد الاستقطاب لتقييم هذه البارامترات. وعلاوة على ذلك، فمن الممكن لإعادة بناء تماما مصفوفة كثافة الفوتونات المولدة الاستقطاب متشابكة عن طريق التصوير المقطعي حالة الكم، والذي يتطلب قياسات الصدفة من 16 تركيبات من قواعد الاستقطاب18.

Figure 1
الشكل 1 مخطط ة من متكاملة [دووبل-بسّ] استقطاب [سغنك] [إنترفيمتر]. (أ)توليد أزواج الفوتون بعد أول تحويل شبه متري عفوي (SPDC). (ب)دوران الاستقطاب من أزواج الفوتون بواسطة لوحة نصف موجة (HWP1). (ج)توليد أزواج الفوتون بعد مجلس الدولة للسلام والتنمية الثاني. (د)التداخل الكمي بين أزواج الفوتون من مجلس الدولة للسلام والتنمية الأول والثاني من قبل HWP2. (هـ)أزواج الفوتون الناتج المنتجة في اتجاه عقارب الساعة (CW). (و)أزواج الفوتون الناتج المنتجة في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة (CCW). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2:النظام البصري العام لتوليد الفوتونات غير المشروطة المتشابكة بالاستقطاب. يتم استخدام لوحة نصف الموجة الأولى (HWP) ولوحة ربع موجة (QWP) لتعيين حالة الاستقطاب من الليزر مضخة يمر من خلال الألياف البصرية الحفاظ على الاستقطاب (PMF). تم تمرير الفوتونات الناتجة من خلال العدسات، QWPs، المستقطبات (POLs)، ومرشحات التداخل (IFs) في الوضعين 1 و 2، وتم الكشف عنها من قبل وحدات العد فوتون واحد (SPCM). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3 نظام الكشف عن الصدفة بشكل عام للفوتونات المتشابكة بالاستقطاب. تم استخدام الإشارات الكهربائية من SPCM لبدء ووقف إشارة محول الوقت إلى السعة (TAC) من خلال خط تأخير كهربائي (تأخير). تم تحليل توزيع ارتفاع النبض الذي تم الحصول عليه من فارق الوقت مع محلل متعدد القنوات (MCA) يتم التحكم فيه من قبل الكمبيوتر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4 توزيعات فرق الوقت المقاسة مع إعدادات الاستقطاب المتوازية والمتعامدة. تركيبات أفقية (H)، عمودي (V)، قطري (D)، المضادة للقطري (A)، اليمين الدائري (R)، واليسار الدائري (L) أسس الاستقطاب. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

الخطوة الحاسمة داخل البروتوكول هي كيفية تحقيق أقصى قدر من الإخلاص للفوتونات المتشابكة الاستقطاب ولدت. الدقة المقدرة ومعلمات بيل محدودة حاليا، ويرجع ذلك أساسا لأننا استخدمنا ألياف متعددة الوسيتيس لجمع الفوتونات المتشابكة التي تم إنشاؤها. وقد أثر إمالة HWP1 على فرق ارتفاع الأوضاع المكانية بين فوتونات مجلس الدولة الأول والثاني في مجلس الدولة للسلام والتنمية وتسبب في عدم تطابق الوضع المكاني على خرج مقياس التداخل Sagnac. ومن المتوقع أن تكون الدقة أعلى عند استخدام ألياف الوضع المفرد التي تقوم بتصفية منطقة تداخل الوضع المكاني للفوتونات SPDC التي تم إنشاؤها أولاً وثانياً. وعلاوة على ذلك، أثر تأثير birefringence من الكريستال ppKTP عدم تطابق الوضع بين الفوتونات SPDC الأولى والثانية. في المستقبل، يمكننا ربما تحسين المعلمات باستخدام بلورات التعويض إضافية.

وتتمثل أهمية البروتوكول في تحقيق عدة خصائص في وقت واحد فيما يتعلق بالأسلوب القائم. مصدر الفوتونات المتشابكة الاستقطاب مع البروتوكول لديها معدل انبعاثات عالية، وتتدهور، ولها توزيع النطاق العريض، وحرة بعد الاختيار. وتستند الميزة المميزة للبروتوكول إلى التداخل الكمي المتعدد باستخدام مقياس تداخل القوس والاستقطاب ذي التمرير المزدوج. النظام الضوئي يجعل من الممكن استخدام كفاءة جيل كبير من الفوتونات المتشابكة الاستقطاب وفصل أزواج الفوتون المنحطة في أوضاع بصرية مختلفة مع عدم وجود شرط من مرحلة ما بعد الاختيار. يمكن تطبيق نظام الفوتونات المتشابكة الاستقطاب عالية الأداء لتقنيات المعلومات الكم الضوئية الجديدة1،2،3،4.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

وقد دعمت هذا البحث مؤسسة بحوث العلوم والتكنولوجيا البصريات، اليابان. ونشكر الدكتور تومو أوسادا على المناقشات المفيدة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
300mm fous lens Thorlabs. INC. AC254-300-B
405nm LD Digi-Key Electronics NV4V31SF-A-ND
Delay line Ortec INC. DB463
Dichroic mirror (DM) Midwest Optical Systems INC. SP650-25.4
Half-wave plate (HWP) for 405nm Thorlabs. INC. WPH05M-405
Half-wave plate (HWP) for dual wavelengths Meadowlark Co. DHHM-100-0405/0810?
Interference filter (IF) IDEX Health & Science, LLC LL01-808-12.5
Multi-channel analyzer (MCA) Ortec INC. EASY-MCA-2K MAESTRO-32 software
Polarization-maintaining fiber Thorlabs. INC. P1-405BPM-FC-1
Polarizer (POL) Meadowlark Co. G335743000
ppKTP crystal RAICOL CRYSTAL LTD. Type-0, 3.425 microns period
Quarter-wave plate (QWP) for 808nm Thorlabs. INC. WPQ05M-808
Quarter-wave plate (QWP) for 405nm Thorlabs. INC. WPQ05M-405
Retroreflector Newport Co. U-BER 1-1S
Single photon counting Module (SPCM) Laser Cpmponents LTD. Count -100C-FC FC connecting
Time-to-amplitude converter (TAC) Ortec INC. 567

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ekert, A. K., et al. Quantum cryptography based on Bell's theorem. Physical Review Letters. 67, 661-663 (1991).
  2. Mattle, K., Weinfurter, H., Kwiat, P. G., Zeilinger, A. dense coding in experimental quantum communication. Physical Review Letters. 76, 4656-4659 (1996).
  3. Pan, J. W., Bouwmeester, D., Weinfurter, H., Zeilinger, A. experimental entanglement swapping: entangling photons that never interacted. Physical Review Letters. 80, 3891-3894 (1998).
  4. Bouwmeester, D., et al. Experimental quantum teleportation. Nature. 390, 575-579 (1997).
  5. Armstrong, D. J., Alford, W. J., Raymond, T. D., Smith, A. V. Absolute measurement of the effective nonlinearities of KTP and BBO crystals by optical parametric amplification. Applied Optics. 35, 2032-2040 (1996).
  6. Shi, B. S., Tomita, A. Generation of a pulsed polarization entangled photon pair using a Sagnac interferometer. Physical Review A. 69, 013803 (2004).
  7. Kim, T., Fiorentino, M., Wong, F. N. C. Phase-stable source of polarization-entangled photons using a polarization Sagnac interferometer. Physical Review A. 73, 012316 (2006).
  8. Steinlechner, F., et al. Efficient heralding of polarization-entangled photons from type-0 and type-II spontaneous parametric downconversion in periodically poled KTiOPO4. Journal of the Optical Society of America B. 31, 2068 (2014).
  9. Steinlechner, F., et al. Phase-stable source of polarization-entangled photons in a linear double-pass configuration. Optics Express. 21, 11943-11951 (2013).
  10. Okano, M., et al. 0.54 resolution two-photon interference with dispersion cancellation for quantum optical coherence tomography. Scientific Reports. 5, 18042 (2015).
  11. Dayan, B., Pe'er, A., Friesem, A. A., Silberberg, Y. Nonlinear interactions with an ultrahigh flux of broadband entangled photons. Physical Review Letters. 94, 043602 (2005).
  12. Nasr, M. B., et al. Ultrabroadband biphotons generated via chirped quasi-phase-matched optical parametric down-conversion. Physical Review Letters. 100, 183601 (2008).
  13. Giovannetti, V., Lloyd, S., Maccone, L., Wong, F. N. C. Clock synchronization with dispersion cancellation. Physical Review Letters. 87, 117902 (2001).
  14. Hofmann, H. F., Ren, C. Direct observation of temporal coherence by weak projective measurements of photon arrival time. Physical Review Letters A. 87, 062109 (2013).
  15. Mikhailova, Y. M., Volkov, P. A., Fedorov, M. V. Biphoton wave packets in parametric down-conversion: Spectral and temporal structure and degree of entanglement. Physical Review A. 78, 062327 (2008).
  16. Jabir, M. V., Samanta, G. K. Robust, high brightness, degenerate entangled photon source at room temperature. Scientific Reports. 7, 12613 (2017).
  17. Terashima, H., Kobayashi, S., Tsubakiyama, T., Sanaka, K. Quantum interferometric generation of polarization entangled photons. Scientific Reports. 8, 15733 (2018).
  18. Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., Kwiat, P. G. Photonic state tomography. Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics. 52, 105-159 (2005).
  19. Hong, C. K., Ou, Z. Y., Mandel, L. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference. Physical Review Letters. 59, 2044-2046 (1987).
  20. Hudson, A. J., et al. Coherence of an Entangled Exciton-Photon State. Physical Review Letters. 99, 266802 (2007).
  21. Young, R. J., et al. Bell-Inequality Violation with a Triggered Photon-Pair Source. Physical Review Letters. , 102 (2009).

Tags

الهندسة، العدد 151، الفوتونات المتشابكة الاستقطاب، تحويل البارامترية إلى الأسفل، النوع 0، النوع الثاني، تداخل الكم، مقياس التداخل Sagnac، تكوين ذهابا وإيابا
نظام ضوئي لتوليد الفوتونات غير المشروطة المتشابكة بالاستقطاب استنادًا إلى تداخل الكم المتعدد
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Terashima, H., Sato, Y., Kobayashi,… More

Terashima, H., Sato, Y., Kobayashi, S., Tsubakiyama, T., Nozaki, R., Kubo, S., Osada, T., Sanaka, K. A Photonic System for Generating Unconditional Polarization-Entangled Photons Based on Multiple Quantum Interference. J. Vis. Exp. (151), e59705, doi:10.3791/59705 (2019).

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