אנו מתארים מערכת אופטית עבור הדור של הפוטונים מסובכת הקיטוב הבלתי מותנית המבוססת על אפקטים של הפרעות קוונטיות מרובות עם ערכת זיהוי כדי להעריך את הנאמנות הניסיונית של פוטונים הסתבכו שנוצר.
אנו מציגים מקור ביצועים גבוהים של פוטונים מסובכת לפולריזציה, בעלי קצב פליטה גבוה, התפלגות פס רחב, מנוונת ובחירה חופשית. רכושה של המקור מבוסס על אפקט הפרעות קוונטיות מרובות עם תצורה של הלוך ושוב של אינטרנומטר. השפעות ההפרעה הקוונטית מאפשרות להשתמש ביעילות הדור הגבוה של הפוטונים המרלון-מסובכת לתהליך המרה, ולהפרדת זוגות פוטון מנוונת למצבים אופטיים שונים ללא בחירת דואר דרישה. עקרון המערכת האופטית תוארה והמשמש למדידת הפרמטרים של הנאמנות והבל, וכן כדי לאפיין את הפוטונים הפולריזציה שנוצרו ממינימום של שש שילובים של נתונים בקורלציה פולריזציה. האמינות השיגה ופרמטרים של בל חרג ממגבלת המתאם המקומי הקלאסי והיא ראיה ברורה לדור של הפוטונים הפולריזציה ללא תנאי.
המצב הסבוך של הפוטונים משך עניין רב בחקר הריאליזם המקומי בתורת הקוונטים וביישומים החדשניים של הצפנה קוונטית1, קוד צפוף קוונטי2, ממסר קוונטי3, וקוונטום טלפורטציה4. פרמטרי המרה ספונטנית למטה (SPDC) הוא תהליך הזמנה שנייה לא לינארית אשר הוצגה ישירות לייצר זוגות פוטון מסובכת במדינות פולריזציה. בשל ההתפתחות האחרונה בטכניקות מדומה התאמת הפאזה, את KTiOPO באופן תקופתי4 (ppktp) ו linbo3 (ppln) הפכו טכניקה סטנדרטית5. מספר סוגים של מקורות שזירה מפותחים על ידי שילוב גבישים לא ליניאריים אלה עם אינטרלומטר שחור6,7,8. במיוחד, הערכה עם זוגות פוטון מקוטב אורתוגונאלי המתקבל על ידי סוג-II SPDC מאפשר ליצור בפוטונים פולריזציה מסובכת מוחלטת וגם להפריד בין מנוונת הקיטוב הפולריזציה מסובכת לתוך אופטי שונים מצבים ללא זיהוי פוסט סלקטיבי7.
לעומת זאת, type-0 SPDC יש את היתרון של התקנה פשוטה יחס פליטה גבוהה של זוגות פוטון9. יתר על כן, זוגות פוטון שנוצר בסוג-0 SPDC להראות רוחב פס רחב הרבה יותר מאשר הפוטונים של סוג-II SPDC. שיעור ייצור הפוטון-זוג לכל יחידת כוח משאבה הוא שתי הזמנות של סדר גודל גבוה יותר בשל רוחב הפס הגדול שלה8. רוחב פס גדול של זוגות פוטון מתואם מאפשר זמן קצר מאוד בצירוף מקרים בין זוגות פוטון שזוהו. מאפיין זה הוביל למספר יישומים פוטנציאליים כגון טומוגרפיה קוונטית קוהרנטית אופטית10, להשגת יחסי הזמן באולטרסאונד הזמני באמצעות אינטראקציות לא לינאריות עם שטף של פוטונים מסובכת11, מטרולוגיה שיטות באמצעות טבילה צר מאוד הפרעה קוונטית12, סנכרון השעון הקוונטי13, שזירה בתדר זמן מדידה14, ו שזירה תדר ינוייהם15. עם זאת, הערכה עם הסוג הרגיל-0 SPDC דורש סכימות זיהוי מותנה6 או אורך גל סינון8 או סינון במצב מרחבי כדי להפריד את הפוטונים שנוצר מסובכת פולריזציה16.
הבנו תוכנית העונה על המאפיינים של שני סוג-0 ו-II SPDC במקביל בהתבסס על מספר תהליכים הפרעות קוונטיות17. הפרטים של המערכת האופטית תוארו והשתמשו למדוד את הפרמטרים המאפיינים את הפוטונים שנוצר מסובכת הקיטוב באמצעות מספר מינימלי של נתונים ניסיוניים.
ניתן לכתוב וקטור
ג’ונס ממצב אופקי (H) ואנכי (V). כל המדינות הפולריזציה הטהורות בנויות מתנוחות-על קוהרנטית של שתי המדינות הפולריזציה הללו. לדוגמה, האור האלכסוני (D), האנטי-אלכסוני (A), הימני-עגול (R), והשמאל-מעגלי (L), בהתאמה, מיוצגים על-ידי:
,
(1)
, ו
,
H ו-V נקראים הבסיסים הפולריזציה. D ו-A נקראים בסיסים פולריזציה אלכסוניים. R ו-L נקראים בסיסים פולריזציה עגולים. מצבים טהורים ומעורבים אלה של הקיטוב יכולים להיות מיוצגים על-ידי מטריצות צפיפות המבוססות על מאגרי H ו-V-פולריזציה18.
עקרון ההפעלה של הערכה מוצג באיור 1א-ה. הלייזר מוזרק לתוך הפרעות שחור מורכב של מפצל קורה הקיטוב (PBS), שני לחצי גל צלחות להגדיר 45o (HWP1) ו 22.5o (HWP2), קריסטל ppktp, ומראות. אופטיקה פולריזציה עם עבודה זו ההתקנה עבור אורך הגל של שדה לייזר של המשאבה ופוטונים למטה המרה.
רכיב ה-H של לייזר המשאבה עובר דרך ה-PBS כפי שמוצג באיור 1a והלוך ושוב את הכיוונון בכיוון כיוון השעון (CW). הקיטוב של לייזר המשאבה היה הפוך למצב אלכסוני (D) באמצעות HWP2. הנה רכיב V של המשאבה לייזר עובד עבור למטה-המרה, ואת הפוטונים שנוצר הם V-מקוטב עם סוג-0 SPDC. ניתן לייצג את המצב הפולני SPDC של זוגות פוטון שנוצר:
. 2
זוגות פוטון למטה המרה הם H-מקוטב דרך HWP1 להגדיר ל 45o כפי שמוצג באיור 1b, והמדינה פולריזציה הופך:
. 3
קרן לייזר משאבה שוב הזריק את זוגות פוטון הפוך לתוך ppKTP. זוגות פוטון שנוצר מן spdc השני הם שני V מקוטב ו הציג עם זוגות פוטון שנוצרו על ידי spdc הראשון עבור מצב אופטי קוליניאריות כפי שמוצג איור 1c. המצב הפולריזציה של זוגות הפוטון לאחר SPDC השני מיוצג כ:
4
היכן הוא השלב היחסי בין. הפוטון מהספבקר הראשון והשני השלב אינו משתנה עם הזמן, כי הוא נקבע על ידי פיזור החומר HWP1’s בין לייזר המשאבה לבין הפוטונים למטה המרה, מתכווננת על ידי הטיית HWP1. H (V)-המדינה הפולריזציה של הפוטונים המומרת למטה הייתה הפוכה למצב A (D) כמוצג ב (1). המצב הפולריזציה של הפלט הפוטון מHWP2 מיוצג כ:
(5)
כאשר השלב נקבע על-ידי הטיית HWP1, רק התנאי הראשון של המצב (5) נותר כמוצג באיור 1d. זהו תהליך הפרעה קוונטית המתאים לתהליך ההפרעות ההפוך של הונג-או-מנדל (HOM) של בסיסי הקיטוב19. כאשר הפוטון עובר דרך PBS ו-V-פוטון משתקף על ידי PBS, המדינה הפולריזציה של התפוקה של זוגות פוטון מ-PBS
מיוצגת על mode1 אופטי ו 2 כפי שמוצג באיור 1e.
לעומת זאת, רכיב ה-V של לייזר המשאבה השתקף על ידי ה-PBS כפי שמוצג באיור 1f והוא מעד בכיוון כנגד כיוון השעון (ccw). באמצעות סוג מרובה דומה -0 תהליכי SPDC והעתקות יוניטרית, מצב הקיטוב של הפלט מ- PBS הופך להיות. כאשר המצב הפולריזציה של לייזר משאבה הוכנו באלכסון (D) המדינה, השלב היחסי בין H-ו-V-רכיבי לייזר המשאבה היה אפס. לכן, מצב הפלט של פוטונים שנוצרו מ-CW ו-CCW כיוונים הם בעלי הגברה זהה ומיוצגים כמו:
. 6
מצב הפלט הוא מדינה פולריזציה מסובכת הידועה כאחת המדינות בל ניתן להמיר לשלוש מדינות אחרות באמצעות רכיבי אופטיקה פולריזציה7. באמצעות היחס המוצג ב-(1), מצב הפלט יכול להיות מיוצג על-ידי בסיסים פולריזציה אלכסוניים בשם:
ועל ידי בסיסים פולריזציה מעגלית
כמו:.
הצעד הקריטי בתוך הפרוטוקול הוא כיצד למקסם את הנאמנות של הפוטונים המופוליזציה הנוצרת. אמינות מוערך ופרמטרים בל מוגבלים כעת, בעיקר בגלל השתמשנו סיבים במצב מרובה כדי לאסוף את הפוטונים הסבוכה שנוצר. הטיית HWP1 השפיעו על הבדלי הגובה של המצבים המרחביים בין הפוטונים של SPDC הראשון והשני וגרם לחוסר התאמה במצב מרחבי על התפוקה של האינטרלומטר שסאאק. הנאמנות צפויה להיות גבוהה יותר בעת שימוש בסיבים במצב יחיד המסנן את האזור המרחבי-מצב מרחבית של פוטונים SPDC הראשון שנוצר. יתר על כן, את ההשפעה שבירה של גביש ppKTP השפיעו על אי-התאמה במצב בין הפוטונים SPDC הראשון והשני. בעתיד, נוכל לשפר את הפרמטרים באמצעות קריסטלים נוספים של פיצוי.
משמעות הפרוטוקול היא לממש מספר מאפיינים בו זמנית ביחס לשיטה הקיימת. המקור של הפוטונים המארג הפולריזציה עם הפרוטוקול יש שיעור הפליטה גבוהה, הם מנוונת, יש התפלגות פס רחב, הם לאחר בחירה חינם. היתרון האופייני של הפרוטוקול מתבסס על הפרעות קוונטיות מרובות באמצעות הפרעה כפולה באינטרריזציה. מערכת פוטוני מאפשרת להשתמש ביעילות הדור הגדול של הפוטונים המארג הפולריזציה להפריד זוגות פוטון מנוונת לתוך מצבים אופטיים שונים ללא דרישה של postselection. המערכת של ביצועים גבוהים פולריזציה בפוטונים מסובכת יכול להיות מיושם עבור הרומן פוטוני מידע קוונטי טכנולוגיות1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
מחקר זה נתמך על ידי קרן המחקר של Opto-מדע וטכנולוגיה, יפן. אנו מודים לד ר טומו אוסמאדה על הדיונים השימושיים.
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 |