Generatie en coherente controle van gepulste Quantum frequentie kammen
Summary
Een protocol wordt gepresenteerd voor de praktische generatie en coherente manipulatie van hoge-dimensionale frequentie-bin verstrikt foton toestanden met behulp van geïntegreerde micro-holten en standaard telecommunicatie onderdelen, respectievelijk.
Abstract
Presenteren we een methode voor het genereren en coherente manipulatie van gepulste quantum frequentie kammen. Tot nu toe, zijn methoden van de voorbereiding van high-dimensionale Staten op de chip op een praktische manier ongrijpbaar als gevolg van de toenemende complexiteit van de quantum-circuits die nodig is voor bereiding of bewerking van dergelijke staten gebleven. Hier, we schetsen hoe hoge-dimensionale, frequentie-bin verstrikt, twee-foton-Staten kunnen worden gegenereerd in een stabiele, hoge generatie-tempo met behulp van een genest-Holte, actief modus-locked excitatie van een niet-lineaire micro-spouw. Deze techniek wordt gebruikt voor de productie van gepulste quantum frequentie kammen. Bovendien presenteren wij onze hoe de kwantumtoestanden coherente wijze kan worden gemanipuleerd met behulp van standaard telecommunicatie componenten zoals programmeerbare filters en electro-optic modulatoren. In het bijzonder tonen we in detail hoe te bereiken staat karakterisering metingen zoals dichtheid matrix wederopbouw, toeval detectie en bepaling van één foton spectrum. De gepresenteerde methoden vormen een toegankelijk, herconfigureerbare en schaalbare basis voor complexe high-dimensionale staat voorbereiding en manipulatie protocollen in het frequentiedomein.
Introduction
De controle van quantum verschijnselen opent de mogelijkheid voor nieuwe toepassingen op terreinen zo divers als veilige quantum communicatie1, krachtige quantum informatieverwerking2en quantum sensing3. Terwijl een verscheidenheid van fysieke platforms zijn actief voor de realisaties van quantum technologieën4wordt onderzocht, zijn optische kwantumtoestanden belangrijke kandidaten, als zij keer lange samenhang en stabiliteit van externe ruis, uitstekende vertonen kunnen transmissie-eigenschappen, evenals compatibiliteit met bestaande telecommunicatie en silicium chip (CMOS) technologieën.
Naar het volledig realiseren van het potentieel van fotonen voor quantum technologieën, kan staat complexiteit en informatie-inhoud worden verhoogd door het gebruik van meerdere verwarde partijen en/of high-dimensionaliteit. De generatie van de op de chip van dergelijke optische Staten mist echter praktisch als opstellingen ingewikkeld, niet perfect schaalbaar zijn en/of zeer gespecialiseerde componenten gebruiken. In het bijzonder hoge-dimensionale pad-entanglement vereist 
coherente opgewonden identiek bronnen en uitgebreide circuits van beam-splitters5 (waar is de staat dimensionaliteit), terwijl de tijd-entanglement moet complex Multi arm interferometer6. Opmerkelijk is het frequentie-domein is geschikt voor schaalbare generatie en beheersing van complexe staten, zoals blijkt uit de recente exploitatie in quantum frequentie kammen (QFC)7,8 met behulp van een combinatie van geïntegreerde optica en telecommunicatie-infrastructuren9, en een veelbelovende kader voorziet in toekomstige quantum informatietechnologieën.
Op de chip QFCs worden gegenereerd met behulp van niet-lineaire optische effecten in geïntegreerde micro-Holten. Met behulp van deze een niet-lineaire micro-resonator, worden twee verstrikt fotonen (bekend als signaal en niet aangedreven) geproduceerd door spontane vier-Golf mengen, via de vernietiging van twee excitatie fotonen – met de daaruit voortvloeiende paar gegenereerd in een superpositie van de holte van gelijkmatig resonant frequentie modi (Figuur 1). Als er samenhang is tussen de modi voor individuele frequentie, is een frequentie-bin verstrikt staat gevormde10, die vaak wordt aangeduid als een twee foton modus-vergrendeld staat11. Deze staat golf-functie kan worden beschreven,
Hier, 
en 
zijn de single-frequentie-mode niet aangedreven en signaal onderdelen, respectievelijk, en 
is de amplitude van de waarschijnlijkheid voor het 
-th modus van de signaal-niet aangedreven paar.
Eerdere demonstraties van op-Spaander QFCs markeren hun veelzijdigheid als levensvatbare quantum informatie platforms, en omvatten kammen van gecorreleerde fotonen12, kruis-gepolariseerde fotonen13, verstrikt fotonen14,15 , 16, multi foton Staten15, en frequentie-bin verstrikt Staten9,17. Hier, wij bieden een gedetailleerd overzicht van het QFC platform en een protocol voor hoge-dimensionale frequentie-bin verstrikt optische staat generatie en controle.
Toekomstige quantum toepassingen, vooral die worden geïnterfacet met high-speed elektronica (voor tijdige informatieverwerking), eisen de generatie van de hoge-snelheid van hoge zuiverheid foton Staten in een compacte en stabiele setup. We gebruiken een regeling actief modus-vergrendeld, geneste holte QFCs om binnen te komen de telecommunicatie L, S en C beschikbaar te stellen frequentiebanden Een micro-ring is opgenomen in een grotere gepulste laser Holte, met optische winst (verstrekt door een erbium doped vezel versterker, EDFA) gefilterd zodat deze overeenkomen met de micro-ring excitatie bandbreedte18. Modus-vergrendeling wordt actief via electro-optic modulatie van de holte verliezen19gerealiseerd. Een isolator zorgt ervoor dat puls propagatie een en dezelfde richting volgt. De resulterende pulse trein heeft zeer lage root mean square (RMS) ruis en vertoont afstembare herhaling tarieven en pulse bevoegdheden. Een hoge isolatie notch filter scheidt de uitgestoten QFC fotonen uit de excitatie-veld. Deze interne fotonen worden dan begeleid door vezels voor controle en detectie.
Onze regeling is een stap in de richting een generatie-hoog, kleine voetafdruk QFC bron, zoals alle onderdelen gebruikt potentieel kunnen worden geïntegreerd op een fotonische chip. Daarnaast is gepulseerde excitatie bijzonder goed geschikt voor quantum toepassingen. Ten eerste, als we kijken naar een paar micro-holte resonanties symmetrische aan de excitatie, het twee-foton Staten waar elke foton wordt gekenmerkt door een single-frequentie modus-centrale voor lineaire optische quantum computing20genereert. Evenals, kunnen multi foton Staten worden gegenereerd door verplaatsen naar hogere macht excitatie regimes en het selecteren van meerdere signaal-niet aangedreven paren15. Ten tweede, als de fotonen worden uitgestoten in bekende tijd windows overeenkomt met de gepulste excitatie, post-processing en gating kunnen worden geïmplementeerd ter verbetering van de opsporing van de staat. Misschien belangrijkst, ondersteunt onze regeling hoge generatie tarieven van foton toestanden met behulp van harmonische modus-vergrendeling zonder vermindering van toeval-naar-accidental verhouding van (auto) – kan de weg voor snelle, multi-kanaals quantum informatie effenen technologieën.
Om aan te tonen het effect en de haalbaarheid van het frequentie-domein, moet de controle van de QFC Staten op een gerichte manier, zorgen voor zeer efficiënte transformaties en coherentie van de staat worden uitgevoerd. Om te voldoen aan deze eisen, we gebruiken trapsgewijze programmeerbare filters en fase modulatoren – gevestigde componenten in de telecommunicatie-industrie. Programmeerbare filters kunnen worden gebruikt om een willekeurige spectrale amplitude en fase masker op de afzonderlijke fotonen, met een resolutie voldoende inspelen op elke frequentie modus individueel; te leggen en electro-optic fase modulatoren gedreven door radio-frequentie (RF) signaal generatoren vergemakkelijken het mengen van frequentie onderdelen21.
Het belangrijkste aspect van deze controleregeling is dat het werkt op alle quantum modi van de fotonen gelijktijdig in één ruimtelijke modus, met behulp van één schakelaar elementen. Verhoging van de kwantumtoestand dimensionaliteit zal niet leiden tot een toename van de complexiteit van de installatie, in tegenstelling tot pad – of tijd-bin entanglement regelingen. Ook alle onderdelen zijn extern herconfigureerbare (dat wil zeggen de operaties kunnen worden gewijzigd zonder wijziging van de installatie) en gebruik van de bestaande telecommunicatie-infrastructuur. Dus, bestaande en toekomstige ontwikkelingen op het gebied van de ultrasnelle optische verwerking kunnen worden rechtstreeks overgedragen aan de schaalbare controle van kwantumtoestanden in de toekomst.
Kortom, de exploitatie van het frequentie-domein door QFCs ondersteunt alleen het genereren van hoge-snelheid van complexe kwantumtoestanden en hun controle, en is dus geschikt voor de winning van complexe staten naar praktische en schaalbare quantum technologieën.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het optische frequentie-domein, via QFCs, is het voordelig in quantum toepassingen voor tal van redenen. Operaties zijn globaal, handelen op alle staten gelijktijdig, wat resulteert in een ontwerp dat niet in grootte of complexiteit als de verhogingen van de dimensionaliteit staat schaalt. Dit wordt versterkt als de onderdelen kunnen opnieuw geconfigureerde on-the-fly zonder het wijzigen van de installatie en worden geïntegreerd kunnen op de chip door te profiteren van bestaande en/of ontwikkelen van halfgeleider- en te…
Acknowledgements
Wij danken R. Helsten voor technische inzichten; P. Kung van QPS Photronics voor hulp en verwerkingsapparatuur; evenals QuantumOpus en N. Bertone van opto-elektronica onderdelen voor hun steun en voor ons te voorzien van state-of-the-art foton detectie apparatuur. Dit werk werd mogelijk gemaakt door de volgende financieringsbronnen: natuurwetenschappen en Engineering onderzoek Raad van Canada (NSERC) (Steacie, strategische, Discovery and Acceleration subsidies regelingen, Vanier Canada afgestudeerde beurzen, USRA beurs); Mitacs (IT06530) en PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI initiatief; Canada Research Chair Program; Australische onderzoeksprojecten Raad ontdekking (DP150104327); Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie programma onder de Marie Sklodowska-Curie verlenen (656607); CityU SRG-Fd programma (7004189); Strategische prioriteit onderzoeksprogramma van de Chinese Academie van Wetenschappen (XDB24030300); Mensenprogramma (Marie Curie Actions) van de Europese Unie KP7-programma onder REA subsidieovereenkomst INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Regering van de Russische Federatie door de ITMO Fellowship en hoogleraarschap programma (Grant 074-U 01); 1000 talenten Sichuan programma (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 |
References
- Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
- Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
- Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604 (2014).
- Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O’Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
- 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).
- Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93 (2004).
- Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
- 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).
- Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
- Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
- Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
- Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
- Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236 (2015).
- Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
- Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
- Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731 (2016).
- Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62 (19), (2017).
- Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940 (2017).
- Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
- Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
- 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).
- . Finisar WaveShaper Software Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018)
- 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).
- Stocklin, F. . Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
- Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. . Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
- 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).
- Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100 (2017).
- 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).
- Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884 (2015).
- Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413 (2011).
- 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).
- Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182 (1992).
- Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).
