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Engineering

複数の量子干渉に基づく無条件偏波絡み合った光子を生成するフォトニックシステム

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

複数の量子干渉効果に基づく無条件偏波光子を生成するための光学系を検出スキームで説明し、発生した絡み合った光子の実験忠実度を推定する。

Abstract

高発光率、ブロードバンド分布、脱退化、選択後の自由を有する無条件偏波光子の高性能源を提示する。ソースのプロパティは、サニャック干渉計の往復構成を持つ複数の量子干渉効果に基づいています。量子干渉効果により、偏光絡光子の高生成効率を使用してパラメトリックダウン変換を処理し、退化したフォトンペアをポスト選択なしで異なる光学モードに分離することができます。要件。光学系の原理を説明し、実験的に忠実度とベルパラメータを測定し、また、偏光相関データの最小6組み合わせから生成された偏光絡光子を特徴付けるために使用した。実験的に得られた忠実度とベルパラメータは、古典的な局所的な相関限界を超え、無条件偏光子の生成の明確な証拠である。

Introduction

光子の絡み合った状態は、量子暗号1、量子高密度符号化2、量子リピータ3、量子の新しい応用における局所リアリズムの研究に大きな関心を集めている。テレポーテーション4.自発的パラメトリックダウンコンバージョン(SPDC)は、偏光状態で絡み合ったフォトンペアを直接生成するために導入された2次非線形プロセスです。準位相マッチング技術の最近の開発により、定期的にポーインされたKTiOPO 4(ppKTP)およびLiNbO3(ppLN)は標準的な技術5となっている。これらの非線形結晶をサニャック干渉計6、7、8と組み合わせることにより、いくつかのタイプの絡み合い源が開発される。特に、タイプII SPDCによって得られた直交偏光子ペアを用いたスキームは、無条件の偏光絡光子を生成し、また、異なる光学に変性偏光絡光子ペアを分離することを可能にする選択的検出のないモード7.

対照的に、タイプ0 SPDCは、簡単なセットアップとフォトンペア9の高放出比の利点を有する。さらに、タイプ 0 SPDC で生成されたフォトン ペアは、タイプ II SPDC のフォトンよりもはるかに広い帯域幅を示します。ユニットポンプパワーあたりのフォトンペアの総生産率は、その大きな帯域幅8のために2桁高いです。相関光子ペアの帯域幅が大きいため、検出されたフォトンペア間の非常に短い偶然の一致時間が可能になります。この性質は、量子光学コヘレンス断層撮影10などのいくつかの潜在的なアプリケーションにつながり、絡み合った光子11の流束との非線形相互作用を通じて超短時間的な相関関係を達成するために、測定学量子干渉12、量子クロック同期13、時間周波数絡み合い測定14、およびマルチモード周波数絡み合い15の非常に狭いディップを用いての方法。しかしながら、通常のタイプ0 SPDCを用いたスキームでは、生成された偏光絡光子16を分離するために、条件付き検出スキーム6または波長フィルタリング8または空間モードフィルタリングが必要である。

複数の量子干渉プロセス17に基づいて、タイプ0とタイプII SPDCの両方の特性を同時に満たすスキームを実現した。光学系の詳細を説明し、実験データの最小数を使用して生成された偏光絡光子を特徴付けるパラメータを測定するために実験的に使用されました。

水平(H)と垂直(V)偏光状態のジョーンズベクトルは、Equation 1とEquation 2書き込むことができます。すべての可能な純粋な偏光状態は、これら 2 つの偏光状態の一貫した重ね合ねから構築されます。たとえば、対角線(D)、対角線(A)、右円形(R)、左円形(L)ライトは、それぞれ次のように表されます。

Equation 3,

Equation 4, (1)

Equation 5そして

Equation 6,

H と V は直線偏光基と呼ばれます。D と A は対角偏光基と呼ばれます。R と L は円偏波ベースと呼ばれます。これらの純粋でまた混合された偏光の状態は、HおよびV偏光基18に基づく密度行列によって表すことができる。

スキームの動作原理を図 1 a-e に示します。レーザーは偏光ビームスプリッタ(PBS)、45o(HWP1)と22.5o(HWP2)に設定された2つの半波プレート、ppKTP結晶、およびミラーで構成される偏光サニャック干渉計に注入されます。 このセットアップを備えた偏光光学は、ポンプレーザーフィールドの波長とダウン変換された光子の両方で動作します。

ポンプレーザーのHコンポーネントは、図1aに示すようにPBSを通過し、セットアップを時計回り(CW)方向に回します。ポンプレーザーの偏光は、HWP2を介して対角線(D)状態に反転した。ここでは、ポンプレーザーのV成分はダウンコンバージョンに働き、生成された光子はタイプ0 SPDCでV偏光されます。生成されたフォトンペアのSPDC偏光状態は、次のように表すことができます。

Equation 7. (2)

ダウン変換されたフォトンペアは、図1bに示すように45oに設定されたHWP1を介してH偏光され、偏光状態は次のようになります。

Equation 8.(3)

ポンプレーザービームは再びppKTPに反転光子ペアを注入した。2 番目の SPDC から生成されたフォトン ペアは、図1cのように、最初の SPDC によって生成されたフォトン ペアを V 偏光と重ね合わせ、共線状の光学モードに対して重ね合わせられます。2 番目の SPDC の後のフォトン ペアの偏光状態は、次のように表されます。

Equation 9(4)

1Equation 10番目の SPDC と 2 番目の SPDC からのフォトン ペア間の相相です。位相は、ポンプレーザーとダウンコンバート光子との間のHWP1の材料分散によって決定され、HWP1を傾けて調整できるため、時間の変化はありません。ダウン変換されたフォトンのH(V)偏光状態は、(1)に示すようにA(D)状態に反転した。HWP2 からの出力フォトン ペアの偏光状態は、次のように表されます。

Equation 11(5)

HWP1Equation 12を傾けて位相を設定すると、図 1dに示すように、状態の最初の項 (5) のみが残ります。これは、偏光基数19の逆ホン・ウー・マンデル(HOM)干渉プロセスに対応する量子干渉プロセスである。HフォトンがPBSを通過し、VフォトンがPBSによって反射されるとき、PBSからの出力フォトンペアの偏光状態は、図1eに示Equation 13すように光学モード1および2のように表される。

逆に、ポンプレーザーのV成分は、図1fに示すようにPBSによって反射され、反時計回り(CCW)方向にトリップした。同様の複数のタイプ 0 SPDC プロセスと単体変換を通じて、PBS からの出力のEquation 14偏光状態がになります。ポンプレーザーの偏光状態を対角(D)状態で調製した場合、ポンプレーザのH成分とV成分との相相相はゼロであった。したがって、CW 方向と CCW 方向から生成されたフォトンの出力状態は、同じ振幅で重ね合われ、次のように表されます。

Equation 15. (6)

出力状態は、ベル状態の1つとして知られている偏波絡み合った状態であり、偏光光学素子7を使用して他の3つの状態に変換することができる。(1)に示す関係を使用して、Equation 16出力状態は対角偏波ベースで次のように表すことができます。

Equation 17と円偏波ベースによって: Equation 18 .

Protocol

採用手順は、図 2 に示す全体的な実験セットアップを使用して、4 つの主要な段階で構成されます。最初の段階は、SPDC用ポンプレーザーの調製でした。第2段階では、光学干渉計-サニャック干渉計は、非線形結晶および光偏光成分を用いて構築された。図3に示す電気部品を用いての偶然の一致測定手順を第3段階で説明した。最後に、図4に示す実際の光子相関データを用いて、生成された無条件偏光子の忠実度とベルパラメータを推定した。

1. ポンプレーザーの構成

  1. 405 nm格子安定化単一周波数レーザーダイオードをオンにします。レーザーダイオードへの入力電流を低減し、中性密度フィルタによって出力電力を数mWに調整します。
  2. レーザーダイオードの表面とホログラフィック格子(3,600mm-1)の間に外部キャビティを構築し、分光計と呼ばれる単周動作を実現します。レーザーダイオード表面に対して約45oのホログラフィック格子を配置し、ゆっくりとネジを動かして度合いを調整し、ビームの画像を参照してキャビティからの出力電力を最大化します。
  3. 偏光維持光ファイバ(PMF)にレーザーを組み合えて、単一の空間モード操作を実行します。電源メーターを使用して PMF からの出力電力を最大化するように、ファイバ カプラネジを調整します。
  4. PMFからの出力レーザーをファイバーカプラーレンズでコリメートします。図2に示すように、アイソレータを介して出力レーザーを半波プレート(HWP)、四分波プレート(QWP)、およびショートパスダイクロイックミラー(DM)の中心に流す。(6)のように状態で偏光絡光子を生成する目的で、HWP を 22.5oに設定し、QWP を 0oに設定して対角線(D)でポンプレーザーの偏光状態を設定します。

2. 干渉計セットアップの構築

  1. 図2に示すように、ダイクロイックミラー(DM)、通常のミラー、PBS、および寸法を持つppKTP結晶を置きます:10mm長い(結晶x軸)、幅10mm(y軸)、および1mmの厚さ(z軸)。PBSはレーザーの波長(405 nm)とダウン変換された光子(810 nm)の波長の両方で動作します。ppKTP結晶のポーリング期間は3.425で、405nmEquation 19レーザーポンプを備えた同一線形型SPDC用に設計され、両方の波長で反射防止コーティングを施しています。
  2. ポンプレーザー(405 nm)とリファレンスレーザー(810 nm)を使用してPBSとミラーを調整します。干渉計の入力から出力までの長さは約600mmなので、PBSからの透過光と反射光を600mm以上(数メートルに対して望ましい)、空間モードマッチングを行います。
  3. HWP1 と HWP2 をセットアップに配置します。それらは405 nmおよび810 nmの波長の両方で作動する。サーフェスからの反射光を使用して、入射光に対して直立するように HWP を調整します。HWP1 の角度を 45oに、HWP2 を 22.5oに設定します。
  4. 逆反射器をセットアップに入れます。逆反射器の位置を調整して、時計回り(CW)と反時計回り(CCW)参照ビームが同じ空間モードにするようにします。図 2のモード 1 および 2 に充電結合デバイス (CCD) カメラを配置し、干渉計の出力からビーム プロファイリング イメージを参照します。ミラーとレトロリフレクターを調整して、カメラのプロファイリング画像を参照して空間モードを一致させます。
  5. レーザー用のQWPとDMの間にフォーカスレンズを配置します。干渉計の入力から出力までの長さは約600mmなので、焦点長が300mmのレンズを選択し、入力レーザーポンプの焦点を干渉計の正確な中間点にならず、世代間のポスの周りにならないように設定します。第2のSPDCのイオン化は、第1SPDCと第2のSPDCの間のダウン変換されたフォトンの同レベルの生成効率を作る。
  6. CCD カメラを取り外し、QWP、偏光子(POL)、干渉フィルタ(IF)をモード 1 および 2 のモード 1 および 2 に配置します(図 2)。反射光を使用して、入射光に垂直になるように光学素子を調整します。検出用のファイバーカプラーを使用して、リファレンスレーザービームをマルチモードファイバに組み取ります。
  7. モード 1 とモード 2 で DM と QWP の間に 300 mm フォーカス レンズを配置します。検出用に出力リファレンスレーザービームをコリメートにします。
  8. マルチモードファイバを、シリコン(Si)の雪崩フォトダイオードから構築された単一光子計数モジュール(SPCM)に接続します。リファレンスレーザーのスイッチを切りなさい。暗室の状態で SPCM をオンにし、ダウン変換されたフォトンをカウントします。
  9. ダウン変換されたフォトンのカウントレートを参照して、温度コントローラに取り付けられたppKTP結晶の温度を調整します。適切な温度は、典型的には25〜30°Cである。
  10. HWP1 の傾き角度を調整して、ダウン変換されたフォトンのカウントレートを最大化します。カウントレートが弱すぎる場合は、モード 1 および 2 の光学要素なしでカウントを測定します。

3. 偶然数の測定手順

  1. モード 1 および 2 の偏波ベースを選択して、図 3に示すように、POL と QWP を使用して入射偏光が絡み合ったフォトンを測定します。H(V)ベースを持つインシデントフォトンの測定では、QWP を 0oに設定し、POL を 0 o (90o)に設定します。D(A)ベースを持つインシデントフォトンの測定では、QWP を 0oに設定し、POL を 45 o (-45o)に設定します。R(L)ベースを持つインシデントフォトンの測定では、QWP を 45o (-45o)に設定し、POL を 0oに設定します。
  2. モード 2 の SPCM から生成されたトランジスタ-トランジスタ ロジック(TTL)信号を、時間振幅コンバータ(TAC)の開始信号入力に接続し、モード 1 の信号を電気遅延ライン(遅延)を通過した後の停止信号入力に接続します。TACは、2つの信号間の時間遅延に対応する0~10Vの電気信号を生成します。
    1. この実験では、遅延線ピンを選択して、時間遅延ΔTを50nsに設定します。TACのダイヤルを設定して、100nsの時間範囲を表示するようにPCの表示を設定します。次に、TAC は電気遅延ラインによって与えられた 50 ns 遅延時間として 5 V 信号を生成します。したがって、5V信号は、SPCMから来る実際のパルスの0 ns遅延時間の一致に対応します。0 ns 遅延時間の偶然の一致は、図 3に示すように、表示時間範囲の中央に表示されます。
  3. MAESTRO-32と呼ばれるソフトウェアのスタートボタンをクリックして、パルス高さの分布を測定し、コンピュータ制御(PC)マルチチャンネルアナライザ(MCA)で分布を記録します。この実験では、TACの測定時間を30秒に設定し、ステップ3.2で説明する設定により、インシデントフォトンとSPCM間の-50~50ns遅延時間に対応したTACパルスの高さ分布を0~10Vに解析する。
  4. パルス高さ分布を記録した後、図4に示すように、いくつかの偏光基のパルス高さ分布データを取得する。データの分析の一致カウントと見なされる時間枠を選択します。パルスピークの幅はSPCMの分解能時間〜1nsによって決まるので、一致時間は分解度時間よりも大きくする必要があります。
    1. この実験では、偶然の一致の時間枠を 10 ns に選択します。タイム ウィンドウの領域を統合して、一致数を推定します。

4. 忠実度パラメータとベルパラメータの推定手順

  1. 偏光Equation 21二次相関と二極間相関を決定Equation 22し、ここでEquation 23偏光状態H、D、およびRを指し、Equation 24二極化状態V、A、およびLを参照します。測定された偶然の数Equation 25を背景レベルEquation 26で割ることによって関数。図4は、30代の複数の偏光基を用いた偶然数の実際に測定されたパルス高さの分布を示す。
    注:例えば、偏光ベースHHは、偶然の一致Equation 27ウィンドウ10nsのカウント/30 sを与える偏光ベースをカウントします。偶然の一致ウィンドウの平均バックグラウンド レベルは、4.3 カウント/30 s として計算されます。によって二次相関が与えられるのEquation 28で、偏光塩基HHとの偏光二次相関関数Equation 29が.同様に、他の偏光基との 2 次相関関数Equation 30は、Equation 31として与えられ、二極間の相関関数Equation 32はEquation 33次のように与えられます。
  2. 20,21によって定義される 3 つの偏光基に対する 2 つの光子間の偏光の相関の度合いを決定します。
    Equation 34(7)
    ここで、Equation 35直線状(HおよびV)、対角線(DおよびA)、および円形(RおよびL)塩基の偏光塩基を指す。測定された 2 次相関関数は、Equation 36Equation 37各偏光基の度合いを次のように示します。
  3. 生成された絡み合ったフォトンの忠実度を決定します。3つの塩基20、21の状態(6)に対する偏光絡み状態の忠実度を計算します。
    Equation 38
    偏光相関の測定度合Equation 39いは.この数は、古典的な偏光相関限界 0.50 を超えました。
  4. 生成された絡み合ったフォトン21のベル パラメータを決定します。偏光相関からパラメータを計算する次の19,20:
    Equation 40
    Equation 41
    Equation 42
    偏光相関の測定塩基Equation 43は.これらの数値は、古典的なパラメータ制限 2 を超え、ベルの不等式に違反します。

Representative Results

複数の量子干渉と検出スキームに基づいて偏光状態に対して無条件に絡み合った光子を生成し、生成された光子対の偏光相関により実験の忠実性を推定する光学系について議論した。生成されたフォトンの推定忠実度は、古典的な局所相関限界 0.50 を超えました。測定されたベルパラメータは、古典的なパラメータ制限2を超え、ベルの不等式に違反しました。本論文では、これらのパラメータを評価するために、偏光塩基の少なくとも6つの組み合わせから得られた偶然の一致測定を用いた。さらに、生成された偏光絡光子の密度マトリックスを量子状態断層撮影を介して完全に再構築することができるため、偏光塩基18の16組み合わせの一致測定が必要となる。

Figure 1
図 1:統合されたダブルパス偏光サニャック干渉計の回路図。(a)最初の自発的パラメトリックダウンコンバージョン(SPDC)後のフォトンペアの生成。(b)半波板(HWP1)によるフォトンペアの偏光回転。(c)2番目のSPDCの後のフォトンペアの生成。(d)HWP2による第1および第2のSPDCの光子対間の量子干渉。(e)時計回り(CW)方向に生成されたフォトンペアを出力します。(f)反時計回り(CCW)方向に生成されたフォトンペアを出力します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:無条件偏波光子を生成するための全体的な光学系。最初の半波プレート(HWP)と四分円プレート(QWP)を使用して、偏光維持光ファイバ(PMF)を通過するポンプレーザの偏光状態を設定します。出力フォトンは、モード1および2のレンズ、QWP、偏光子(POL)、干渉フィルタ(INF)を通過し、単一フォトン計数モジュール(SPCM)によって検出された。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図 3:生成された偏光絡光子の全体的な一致検出システム。SPCMからの電気信号は、電気遅延ライン(遅延)を介して時間振幅コンバータ(TAC)の信号を開始および停止するために使用されました。時差から得られた脈拍高さ分布を、コンピュータ制御(PC)マルチチャンネルアナライザ(MCA)で分析した。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: 平行偏光器と直交偏光器設定による時間差分布を測定しました。組み合わせは、水平(H)、垂直(V)、対角線(D)、対角線(A)、右円形(R)、左円形(L)偏光基です。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

プロトコル内の重要なステップは、生成された偏光絡光子の忠実度を最大化する方法です。推定忠実度とベルパラメータは、主にマルチモードファイバを使用して生成された絡み合ったフォトンを収集したため、現在制限されています。HWP1の傾きは、第1SPDCと第2のSPDCの光子間の空間モードの高さの違いに影響を与え、サニャック干渉計の出力に空間モードの不一致を引き起こした。生成された最初と 2 番目の SPDC フォトンの空間モードの重なり合う領域をフィルタリングするシングル モード ファイバを使用する場合、忠実度は高くなることが予想されます。さらに、ppKTP結晶の二重引着効果は、第1および第2のSPDC光子間のモード不一致に影響を与えた。将来的には、追加の補正結晶を使用してパラメータを改善できる可能性があります。

プロトコルの重要性は、既存の方法に関して複数のプロパティを同時に実現することです。プロトコルと絡み合った光子のソースは、高い放出速度を有し、退化し、ブロードバンド分布を有し、選択後は無料である。プロトコルの特徴的な利点は、ダブルパス偏光サニャック干渉計を使用した複数の量子干渉に基づいている。フォトニックシステムは、偏光絡光子の大きな生成効率を使用し、ポスト選択の要件なしで異なる光学モードに退化光子ペアを分離することを可能にします。高性能偏光絡光子のシステムは、新しいフォトニック量子情報技術1、2、3、4に適用することができる。

Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

本研究は、日本オプト科学技術研究財団の支援を受けています。お役に立つ議論をありがとうございました。

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

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References

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エンジニアリング、問題151、偏光絡光子、パラメトリックダウンコンバージョン、タイプ0、タイプII、量子干渉、サニャック干渉計、往復構成
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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).

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