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.
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].
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 (V) حالة الاستقطاب و
. 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:
,
, (1)
و
,
[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:
. (2)
أزواج الفوتون أسفل المحولة هي H-الاستقطاب من خلال HWP1 تعيين إلى 45س كما هو مبين في الشكل 1b، وحالة الاستقطاب يصبح:
. (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:
(4)
حيث 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:
(5)
عندما يتم 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
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 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:
. (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 الإخراج بواسطة قواعد استقطاب قطري على النحو:
وبواسطة أسس الاستقطاب
الدائري على النحو: .
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.
The authors have nothing to disclose.
وقد دعمت هذا البحث مؤسسة بحوث العلوم والتكنولوجيا البصريات، اليابان. ونشكر الدكتور تومو أوسادا على المناقشات المفيدة.
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 |