Sürekli dalga Optik Parametrik Osilatörler ile Işığın kuantum Devlet Mühendislik

Summary

Biz optik parametrik osilatör tarafından yayılan non-klasik ışık işletilen bir koşullu hazırlama yöntemi kullanılarak, tek foton devletler ve tutarlı bir devlet superpositions dahil optik alanları, seyahat olmayan Gauss devletlerin güvenilir nesil açıklar. Tip I ve tip-II faz-eşleşti osilatörler olarak kabul edilir ve bu gibi gerekli frekans filtreleme veya homodyning tarafından yüksek verimli kuantum devlet karakterizasyonu gibi ortak işlemler, detaylı vardır.

Abstract

Elektromanyetik alanın klasik olmayan devletlerin mühendislik kuantum optik ^1,2 için merkezi bir görevdir. Onların temel önemde ötesinde, bu tür devletlerin gerçekten gelişmiş metroloji kuantum iletişim ve bilgisayar arasında değişen, çeşitli protokoller uygulanması için kaynaklar vardır. Çeşitli cihazlar bu tip bir tekli vericiler, hafif madde arayüzleri ya da doğrusal olmayan sistemler ³ gibi klasik olmayan durumları, oluşturmak için kullanılabilir. Bir sürekli dalga optik parametrik osilatör ^3,4 kullanımına burada odaklanır. Bu sistem, bir optik boşluğunun içine sokulan bir doğrusal olmayan χ ² kristal dayanır ve şu anda bu tek modlu veya kristal bağlı olarak iki-modlu sıkılmış vakum olmayan klasik ışık, çok etkili bir kaynak olarak iyi bilinir faz eşleme.
Onun dördün dağılımları Gauss istatistikleri aşağıdaki gibi sıkılmış vakum bir Gauss durumdur. Ancak, bu protokolleri olmayan Gaus gerektiren bu sayı gösterilmiştirsian ⁵ devletler. Doğrudan bu tür durumları oluşturma zor bir iştir ve güçlü χ ³ lineer olmayan gerektirecektir. Olasılıklı ama müjdeledi başka prosedür, Gauss devletlere işletilen bir koşullu hazırlama tekniği ile ölçüm kaynaklı doğrusalsızlık kullanarak oluşur. Burada, birincil kaynaklar olarak iki farklı faz uyumlu parametrik osilatörler kullanarak olmayan iki Gauss devletler, tek foton devlet ve tutarlı devletlerin bir süperpozisyon için biz detay bu nesil protokol. Bu teknik bir iyi-kontrollü zamanmekansal modunda hedeflenen devlet ve devletin nesil bir yüksek sadakat ulaşmanızı sağlar.

Introduction

Optik alanları seyahat kuantum durumunu mühendisi yeteneği kuantum iletişim, bilgisayar ve metroloji dahil kuantum bilgi bilim ve teknoloji ^1, için merkezi bir gerekliliktir. Burada, birincil kaynak olarak eşiğin altında işletilen sürekli dalga optik parametrik osilatör ^3,4 yaydığı ışık kullanarak belirli bazı kuantum devletlerin hazırlanması ve karakterizasyonu tartışmak. Özellikle, iki sistem kabul edilecektir - bir tip-II faz-uyumlu OPO ve tip-I OPO - sırasıyla müjdeledi tek foton ve optik tutarlı devlet superpositions (CSS), form, yani devletlerin güvenilir nesil sağlayan | α > - |-α>. Bu devletler lineer optik kuantum hesaplama ⁶ hibrit optik protokollere ^5,7 arasında değişen kuantum bilgi protokolleri çeşitli uygulanması için önemli kaynaklar vardır. Önemli bir şekilde, bu yöntem p Burada reddetmiş iyi kontrollü zamanmekansal moduna vakum ve emisyon düşük bir karışımını elde edilmesini mümkün kılar.

Genel olarak konuşursak, kuantum devletler Wigner fonksiyonu W (x, p) ⁸ denilen faz uzayında yarı olasılık dağılımının şekline göre Gauss devletler ve non-Gauss devletler olarak sınıflandırılabilir. Olmayan Gauss devletler için, Wigner işlevi olmayan classicality güçlü bir imza negatif değerler alabilir. Tek foton veya tutarlı devlet süperpozisyonları aslında olmayan Gauss devletler vardır.

Bu tür durumları üretilmesi için etkili bir yöntem, bir ilk kaynak gibi Gaussian foton sayma ^{9,10,11,12,13} olarak adlandırılan bir non-Gauss ölçümü ile birleştirilir koşullu hazırlama tekniği olarak bilinir. Bu genel şema, olasılık ama habercisi, Şekil 1a üzerinde planlanır.

"Fo: İçerik-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg "/>
Şekil 1,. (A) koşullu hazırlama tekniğine kavramsal şeması. (B) dik-polarize foton çiftleri (tip-II AFE) den tek foton devlet Şartlı hazırlanması bir polarize ışın splitter üzerinde ayrıldı. Sıkılmış bir vakum devlet bir tek foton çıkarılarak tutarlı bir devlet süperpozisyon (c) Koşullu hazırlığı (tip-I AFE).

Bir bipartit dolaşmış devletin bir mod ölçerek, diğer mod bu ölçüm ve ilk dolaşmış kaynak ^12,13 bağlıdır bir duruma yansıtılır.

Anılan durumlarını oluşturmak için gerekli gerekli kaynak ve habercisi dedektör nelerdir? Tek foton devletler ikiz kirişler kullanılarak oluşturulabilir, kirişler yani foton-numarasını ilişkilidir. Tek-p tespititek modunda Hoton sonra diğer moda ^9,10,14,15 tek-foton kuşağı habercisidir. Bir frekans, dejenere tip-II OPO ^16,17,18,19 gerçekten de bu amaç için çok uygun bir kaynağıdır. Sinyal ve avara fotonlar foton sayısı korelasyon ve dik kutuplaşmalar ile yayılan vardır. Şekil 1b'de gösterildiği gibi, bir polarizasyon modunda tek foton algılama, tek foton duruma diğerini yansıtır.

Tutarlı devlet superpositions gelince, onlar ^11,21 dönüşüm-aşağı ya da bir tarafından tip-I ^22,23 OPO ya elde sıkılmış bir vakum devlet ²⁰ darbeli tek-geçişli parametrik tek bir foton çıkarılarak oluşturulabilir. Çıkarma, bir ışın dağıtıcı üzerindeki ışığın küçük bir bölümünü çekme ve bu modda tek foton (Şekil 1c) tespit edilmesi ile gerçekleştirilir. Bir sıkılmış vakum böylece tek-foton yol çıkarılarak, hatta foton-sayı devletlerin bir süperpozisyon olduğunueşit ve küçük genlikli iki tutarlı devletlerin doğrusal süperpozisyon ile yüksek sadakat sahip tek foton sayısı devletler, bir süperpozisyon için. Bu nedenle, adı 'Schrödinger'in kedi' bazen bu devlete verilmiştir.

Bu durumları üretilmesi için genel prosedür, böylece benzer, ancak, birincil ışık kaynağı ile farklılık gösterir. Heralding yol ve algılama teknikleri Filtreleme OPO türü kullanılıyor olursa olsun aynıdır. Nasıl sürekli dalga optik parametrik osilatör bu iki non-Gauss durumlarını oluşturmak ve nasıl yüksek verimlilik ile karakterize etmek protokolleri ayrıntı mevcut serisi.

Protocol

1.. Akımlı optik parametrik osilatör

1. (Geliştirilmiş mekanik stabilite ve düşük intracavity kayıplar için) 4 cm uzunluğunda semimonolithic doğrusal boşluğu oluşturun. Giriş ayna doğrudan doğrusal olmayan kristalin bir yüzü üzerinde kaplanır.
2. 1064 nm'de sinyal ve avara için 532 nm ve yüksek yansıma pompa için% 95 bir giriş bağlantı yansıma seçin. Ters, çıkış bağlantı pompa için son derece yansıtıcı olmak tercih ve geçirgenlik T =% 10 kızılötesi için. OPO serbest spektral aralığı Δω = 4.3 GHz eşittir ve bant genişliği yaklaşık 60 MHz. Yani pompa için ve alt-dönüştürülmüş alanları için, bu alette, boşluk triply rezonans olun.
3. Tip-II OPO sistemi ya da tip I OPO bir PPKTP kristali için bir KTP kristal kullanın. Bunların faz eşleştirme sıcaklıklarında kristalleri Sıcaklık stabilize.
4. Lazer kaynağı olarak kullanmak, sürekli bir dalga frekansı katlanmış Nd: YAG lazer. 532 nm OPO pompalamak ve in'i kullanabilirfrared ışık, homodin tespiti için yerel bir osilatör (LO) gibi yüksek incelik boşluğu (mod temizleyici), ile uzamsal filtrelemeden sonra.
5. Pompa ve kavite modu arasında mod-eşleştirme elde.
6. Pound-Drever-Hall tekniği ile pompa rezonans kavite uzunluğu kilitleyin. Bu amaç için, pompa, 12 MHz elektro-optik modülasyonu kullanabilir ve bir optik izolatör ile boşluğundan geri yansıyan ışığı tespit eder.

2 Koşullu Hazırlanışı:. Müjdeleyen Yolu Filtreleme

1. Iki mod OPO çıktı ayırın. Diğer bir homodin algılama aracı tarafından tespit edilecektir habercisi durumdur bir tanesi, habercisi moduna tekabül eder.
2. Tek foton detektörü doğru habercisi modunu yönlendirin. Özellikle, tip-II OPO için, bir polarize ışın ayırıcı (PBS) tarafından ortogonal sinyal ve avara modları ayrı. Tip-I OPO, bir ile sıkılmış vakum küçük bir kısmını (% 3) üzerinden dokununışın ayırıcı (BS).
3. OPO boşluğu nedeniyle frekans dejenere olmayan modları kaldırmak için habercisi modu filtre. Bir OPO için, çıkış gerçekten çok ikili korelasyon ama Işıksal ayrılır modları, ω içeren ₀ + nΔ _ω ve ω n bir tamsayı _{0-nΔ ω.} Taşıyıcı frekansında bir habercisi durumu oluşturmak için, bu dejenere olmayan modları her filtre için gereklidir.
   1. 0.5 nm bant genişliği ile ilk bir interferansiyel filtre kullanın.
   2. 330 GHz ücretsiz bir spektral aralıkta ve 300 MHz (1000 civarında 0.4 mm incelik ve çevresinde uzunluğu) bir bant genişliği ile bir ev yapımı doğrusal Fabry-Perot boşluğu ekleyin. Kavite bant genişliği OPO ve girişimsel filtrenin frekans pencere daha büyük olduğu, serbest spektral aralığının bir daha büyük olacak şekilde seçilir.
   3. Dejenere olmayan modları en azından genel olarak 25 dB ret elde edin.
4. Filtreleme Fabry-LockTaklidinin-ve-kilit tekniği ile Perot oyuğu.
   1. Bu amaçla, optik bir anahtar üzerinden bir geri yayılan yardımcı ışın enjekte ve bir optik izolatör ile filtre boşluğunun girişinde reddedebilir. Çıkıştaki ışığı algılar.
   2. 10 msn sırasında boşluğu kilitleyin ve yardımcı-ışın off ile 90 msn için ölçüm döneminden sonra başlar.
5. Ölçüm döneminde bir tek foton detektör tarafından filtrelenmiş habercisi modunu algılar. Bir süperiletken tek foton dedektörü (SSPD) aksi koşullu devletin sadakat bozacak karanlık gürültü miktarını (birkaç Hz), sınırlamak için kullanılır.

Homodin Algılama 3. Kuantum Devlet Tomografi

1. Alan karakterize etmek için bir 50/50 ışın ayırıcı ve güçlü sürekli dalga yerel osilatör (LO, 6 mW) oluşan dengeli bir homodin algılama ile habercisi durumunu algılamak müdahale getirildi ve yüksek kuantum eff bir çifticiency InGaAs fotodiyotları.
2. Algılama hizalamak amacıyla, LO modu ile 1064 nm ve çalışma şekli, bu maçı moduna, OPO boşluğuna parlak yardımcı ışın enjekte edilir. Birlik yakın bir saçak görünürlük elde. Herhangi bir mod uyumsuzluk quadratically algılama kayıpları çevirir.
3. Homodin algılama özelliklerini denetleyin. 6 mW LO gücü ile, atış gürültü sınır (SNL) 50 MHz'e kadar düzdür. Düşük frekans analizi (MHz), 50 MHz frekansta analiz üzerinde 16 dB elektronik gürültü üzerinde fazla 20 dB'dir. (Bir 10 dB (20 dB) mesafesi,% 10 (% 1) etkin kayıp anlamına) ²⁴ saptanmasında kayıpları anlamına olarak bu mesafe önemli bir parametredir.
4. Tek foton detektörü her algılama olayı için, 100 nsaniye sırasında 5 Gs / sn örnekleme oranı ile bir osiloskop ile Homodin photocurrent kaydedin. Ölçüm sırasında bir PZT-monte ayna ile LO faz Sweep.
5. Bir gi ile kaydedilen her segment filtreHer başarılı hazırlık koşullu devletin tek bir dördün değeri en edinmek için zamansal modu fonksiyonu ven. Düşük kazanç için en uygun modu fonksiyonu OPO bant genişliği ters eşit bir bozunma sabiti ile çift taraflı üstel fonksiyonu ²⁵ civarındadır. Optimal modu da otokorelasyon fonksiyonunun ²⁶ bir özfonksiyonu açılımı kullanılarak bulunabilir.
6. Maksimum olabilirlik algoritması ²⁷ ile ölçümleri (50.000 tomografi için gereklidir) ve post-proses verileri birikir. Bu prosedür müjdeledi devletin yoğunluk matrisi ve ilgili Wigner fonksiyonunun ⁸ rekonstrüksiyonu sağlar.

Tip-II OPO ile Single Photon Devlet 4. Şartlı Hazırlık

1. Multiphoton çiftleri çok düşük bir olasılık için çok eşiği (80 mW eşik için buraya 1 mW) aşağıda tip-II OPO Pompa.

Tutarlı 5. Koşullu HazırlıkTip-I OPO ile devlet süperpozisyon

1. Bir spektrum analizörü ile eşiğe yakın OPO tarafından oluşturulan sıkılmış vakum kontrol edin. Ölçülen gürültü spektrumu, Şekil 3 de gösterilmiştir.
2. Düşük yan bant frekansları (birkaç MHz) sıkarak yaklaşık 3 dB gözlem sağlayan bir pompa gücünde OPO çalıştırın.
3. Homodin ölçümde, faz bilgileri, CSS durum olarak faz bağımlı devletler için önemlidir. % 90 görev döngüsü ile 10 Hz testere dişi dalga ile LO faz Tarama (ölçüm periyodu 90 msn ve dönemi kilitleme 10 msn karşılık.) Ölçüm döneminde, bir tek orada olduğundan emin olmak için süpürme senkronize PZT-monte ayna tek yönlü süpürme.
4. Varyans ölçümü ve daha sonra ölçülen karesel fazını anlaması için homodin sinyali kullan.

Results

Tip-II OPO ve yüksek sadakat, tek foton devletin nesil için:
Habercisi devletin tomografi yeniden yeniden yoğunluk matrisi ve karşılık gelen Wigner fonksiyonunun çapraz elemanlar görüntülenir Şekil 2, gösterilmiştir. Herhangi bir kayıp düzeltmeler olmadan, müjdeledi devlet% 78 gibi yüksek bir tek-foton bileşeni arzetmektedir. Dikkate genel algılama kayıpları (% 15) alarak, devlet tek-foton devlet ile% 91 oranında bir sadakat ulaşır. Aşağı dönüştürme işlemi oluşturmaya çoklu foton çiftleri sonuçları...

Discussion

Burada sunulan koşullu hazırlama tekniği her zaman ilk ikili kaynak ve habercisi dedektör tarafından gerçekleştirilen ölçüm arasında bir etkileşim olduğunu. Bu iki bileşen, güçlü bir şekilde oluşturulan devlet kuantum özelliklerini etkiler.

İlk olarak, hazırlanan devletlerin saflığı şiddetle böylece 'iyi' OPO gerekli, ilk kaynağın biri bağlıdır. Bir 'iyi' OPO nedir? Bu kaçış verim η birlik yakın olduğu için bir cihazdır. Parametre η olarak çıkış bağlayıcının, T iletim oranı, ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Pompa lazeri	Innolight	Diabolo	Çift çıkışlı, IR ve 532 nm
KTP ve PPKTP kristal	Raicol		Diğer satıcılardan temin edilebilir
Girişimsel filtreler	Barr associates
	Fermiyonik		Kuantum verimliliği %97'nin
üzerindeOsiloskop	Lecroy	Dalga koşucusu 610 Zi	Veri toplama için kullanılır
Spektrum analizörü	Agilent	N9000A	Diğer satıcılardan temin edilebilir
Faraday döndürücü	Qioptic	FR-1060-5SC	Diğer satıcılardan temin edilebilir
PZT	PI	P-016.00H	Diğer satıcılardan temin edilebilir
Süper iletken tek foton dedektörleri	Scontel	SSPD	düşük karanlık sayımlar
Optik anahtar	Thorlabs	OSW12-980E	Diğer satıcılardan temin edilebilir