Quantum State Engineering of Light med kontinuerlig bølge Optical Parametric Oscillator
Summary
Vi beskriver pålidelig generation af ikke-gaussiske tilstande af rejser optiske felter, herunder enkelt-foton stater og sammenhængende statslige overlejringer ved hjælp af en betinget fremstillingsmetode drives på ikke-klassisk lys udsendt af optiske parametriske oscillatorer. Type I-og type II-faseafstemte oscillatorer betragtes og fælles procedurer, som den nødvendige frekvens filtrering eller højeffektiv kvantetilstand karakterisering af homodyning, er detaljeret.
Abstract
Engineering ikke-klassiske tilstande af det elektromagnetiske felt er en central søgen efter kvanteoptik 1,2. Ud over deres grundlæggende betydning, disse stater er faktisk ressourcerne til at gennemføre forskellige protokoller, der spænder fra forbedrede metrologi til quantum kommunikation og databehandling. En række enheder kan bruges til at generere ikke-klassiske stater, såsom enlige udledere, lys-stof grænseflader eller ikke-lineære systemer 3. Vi fokuserer her på brugen af en kontinuerlig bølge optisk parametrisk oscillator 3,4. Dette system er baseret på en ikke-lineær χ 2 krystal indsat inden i en optisk kavitet og det er nu kendt som en meget effektiv kilde for ikke-klassisk lys, såsom single-mode eller to-mode presses vakuum afhængig af krystal fasetilpasning.
Klemt vakuum er en Gauss tilstand som dets kvadratur distributioner følger en gauss statistik. Imidlertid har det vist sig, at antallet af protokoller kræver ikke-GausSian hedder 5.. Direkte generering af sådanne tilstande er en vanskelig opgave og vil kræve stærk χ 3 ulineariteter. En anden procedure, probabilistiske men indvarslet, består i at bruge en måling-induceret ulinearitet via en betinget forberedelse teknik drives på Gauss stater. Her har vi detalje denne generation protokol for to ikke-Gaussiske stater, enkelt-foton tilstand og en superposition af sammenhængende stater, der anvender to forskelligt faseafstemte parametriske oscillatorer som primære ressourcer. Denne teknik gør det muligt at opnå et high fidelity med den målrettede tilstand og generering af staten i en velkontrolleret Spatiotemporal tilstand.
Introduction
Evnen til at konstruere den kvantetilstand af rejser optiske felter er et centralt krav for kvanteinformation videnskab og teknologi 1, herunder quantum kommunikation, databehandling og metrologi. Her vil vi drøfte forberedelsen og karakterisering af nogle specifikke kvantetilstande bruger som en primær ressource det udsendte lys ved kontinuerlig bølge optisk parametriske oscillatorer 3,4 drives under grænseværdien. Konkret vil to systemer blive betragtet – en type-II-fase-matchede OPO og en type I-OPO – muliggør henholdsvis pålidelig generation af varslede single-fotoner og optiske sammenhængende statslige overlejringer (CSS), dvs tilstande af formen | α > – |-α>. Disse stater er vigtige midler til at gennemføre en række af kvante informations-protokoller, der spænder fra lineære optisk kvanteberegning 6 til optiske hybrid protokoller 5,7. Betydeligt fremgangsmåden s. senteret her tillader at opnå en lav iblanding af vakuum og emission i en velkontrolleret Spatiotemporal tilstand.
Generelt kan kvantetilstande klassificeres som Gauss stater og ikke-Gaussiske stater i henhold til formen af den kvasi-sandsynlighedsfordelingen i fase rummet kaldet Wigner funktionen W (x, p) 8.. For ikke-Gauss stater kan Wigner funktionen tage negative værdier, en stærk signatur ikke-klassicitet. Single-foton eller sammenhængende statslige overlejringer er faktisk ikke-Gaussiske stater.
En effektiv procedure for generering af sådanne tilstande er kendt som den betingede forberedelse teknik, hvor en indledende Gaussisk ressource er kombineret med en såkaldt non-Gauss måling såsom foton optælling 9,10,11,12,13. Denne generelle ordning, probabilistiske men indvarslet, er skitseret på figur 1a.
"Fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg "/>
Figur 1.. (A) Konceptuel ordning af den betingede forberedelse teknik. (B) Betinget udarbejdelse af enkelt-foton tilstand fra ortogonalt-polariseret foton par (type II-OPO) adskilt på en polariserende beam splitter. (C) Betinget udarbejdelse af en sammenhængende stat superposition ved at fratrække et enkelt-foton fra en klemt vakuum tilstand (type I-OPO).
Ved at måle en tilstand af et todelt viklet tilstand, den anden tilstand projiceret ind i en tilstand, der vil afhænge af denne måling og den indledende viklet ressource 12,13.
Hvad er de nødvendige ressourcer, heralding detektor nødvendig for at generere de førnævnte stater? Single-foton stater kan genereres ved hjælp dobbelte bjælker, dvs foton-nummer korrelerede bjælker. Påvisningen af en enkelt-pHoton på én tilstand så varsler generation af et enkelt-foton på den anden tilstand 9,10,14,15. En frekvens-degenereret type II OPO 16,17,18,19 er faktisk en velegnet kilde til dette formål. Signal og tomgangsfotoners er foton-nummer korreleret og udsendes med ortogonale polariseringer. Detektion af en enkelt foton på en polarisering mode rager den anden i en enkelt-foton tilstand, som vist i figur 1b.
Vedrørende sammenhængende state overlejringer, kan de genereres ved at trække en enkelt foton fra en presset vakuumtilstands 20 opnås enten ved pulseret single-pass parametrisk nedkonvertering 11,21 eller af en type I-OPO 22,23. Subtraktionen udføres ved at trykke på en lille brøkdel af lyset på en stråledeler og påvisning af en enkelt foton i denne tilstand (figur 1c). En klemt vakuum er en superposition af selv foton-nummer stater, og dermed trække en enkelt foton leadstil en superposition af ulige foton-antal lande, som har en high fidelity med en lineær overlejring af to sammenhængende stater lige og lille amplitude. Af denne grund, har navnet "Schrödinger killing 'undertiden blevet givet til denne tilstand.
Den generelle procedure til generering af disse tilstande er således ens, men adskiller sig ved den primære lyskilde. Filtrering af varsler sti og detektionsteknikker er det samme uanset typen af OPO anvendes. Den nuværende serie af protokoller detaljer, hvordan man generere disse to ikke-Gaussiske stater fra kontinuerlig bølge optisk parametriske oscillatorer og hvordan man karakterisere dem med høj effektivitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den betingede forberedelse teknik præsenteres her, er altid et samspil mellem den oprindelige todelte ressource, og den udføres af heralding detektor måling. Disse to komponenter stor indflydelse kvante egenskaber af den genererede tilstand.
Først, renheden af de forberedte stater høj grad afhænger af en af de indledende indtægt og dermed en 'god' OPO er påkrævet. Hvad er en 'god' OPO? Det er en anordning, som flugt effektivitet η er tæt på enighed. Pa…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde understøttes af ERA-NET CHIST-ERA ('QScale "-projektet) og ERC Starting Grant" HybridNet ". F. Barbosa anerkender støtten fra CNR og FAPESP, og K. Huang støtte fra Fonden for forfatteren af National Excellent doktorafhandling Kina (PY2012004) og Kina Scholarship Rådet. C. Fabre og J. Laurat er medlemmer af Institut Universitaire de France.
Materials
| Pump laser | Innolight | Diabolo | Dual output, IR and 532 nm |
| KTP and PPKTP crystal | Raicol | Available from other vendors | |
| Interferential filters | Barr associates | ||
| High efficiency photodiodes | Fermionics | Quantum efficiency above 97% | |
| Oscilloscope | Lecroy | Wave runner 610 Zi | Used for data acquisition |
| Spectrum analyser | Agilent | N9000A | Available from other vendors |
| Faraday rotator | Qioptic | FR-1060-5SC | Available from other vendors |
| PZT | PI | P-016.00H | Available from other vendors |
| Superconducting single-photon detectors | Scontel | SSPD | low dark counts |
| Optical switch | Thorlabs | OSW12-980E | Available from other vendors |
Riferimenti
- Dell’Anno, F., et al. Multiphoton quantum optics and quantum state engineering. Phys. Reports. 428, 53-168 (2006).
- O’Brien, J. L., et al. Photonic quantum technologies. Nature Photon. 3, 687-695 (2009).
- Bachor, H. -. A., Ralph, T. C. . A guide to experiments in quantum optics. , (2004).
- Reid, M. D., et al. The Einstein-Podolsky-Rosen paradox: from concepts to applications. Rev. Mod. Phys. 81, 1727-1751 (2009).
- Van Loock, P. Optical hybrid approaches to quantum information. Laser & Photonics Review. 5, 167-200 (2011).
- Knill, E., et al. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
- Ralph, T. C., et al. Quantum computation with optical coherent states. Phys. Rev. A. 68, 042319 (2003).
- Leonhardt, U. . Measuring the quantum state of light. , (1997).
- Hong, C. K., Mandel, L. Experimental realization of a localized one-photon state. Phys. Rev. Lett. 56, 58-60 (1986).
- Lvovsky, A. I., et al. Quantum state reconstruction of the single-photon Fock state. Phys. Rev. Lett. 87, (2001).
- Ourjoumtsev, A., et al. Generating optical Schrödinger kittens for quantum information processing. Science. 312, 83-86 (2006).
- D’Auria, V., et al. Effect of the heralding detector properties on the conditional generation of single-photon states. Eur. Phys. Journ. D. 66, 249 (2012).
- D’Auria, V., et al. Quantum decoherence of single-photon counters. Phys. Rev. Lett. 107, (2011).
- Huisman, S. R., et al. Instant single-photon Fock state tomography. Opt. Lett. 34, 2739-2741 (2009).
- Morin, O., et al. High-fidelity single-photon source based on a Type II optical parametric oscillator. Opt. Lett. 37, 3738-3740 (2012).
- Ou, Z. Y., et al. Realization of the Einstein-Podolski-Rosen paradox for continuous variables. Phys. Rev. Lett. 68, 3663-3666 (1992).
- Laurat, J., et al. . Type-II Optical Parametric Oscillator: a versatile source of quantum correlations and entanglement in Quantum information with continuous-variables of atoms and light. , (2005).
- Laurat, J., et al. Compact source of Einstein-Podolski-Rosen entanglement and squeezing at very low noise frequencies. Phys. Rev. A. 70, (2004).
- D’Auria, V., et al. Full characterization of Gaussian bipartite entangled states by a single homodyne detector. Phys. Rev. Lett. 102, (2009).
- Dakna, M., et al. Generating Schrödinger-cat-like states by means of conditional measurements on a beam splitter. Phys. Rev. A. 55, 3184-3194 (1997).
- Gerrits, T., et al. Generation of optical coherent-state superpositions by number-resolved photon subtraction from the squeezed vacuum. Phys. Rev. A. 82, (2010).
- Neergaard-Nielsen, J. S., et al. Generation of a Superposition of Odd Photon Number States for Quantum Information Networks. Phys. Rev. Lett. 97, (2006).
- Wakui, K., et al. Photon subtracted squeezed states generated with periodically poled KTiOPO4. Opt. Express. 15, 3568-3574 (2007).
- Kumar, R., et al. Versatile wideband balanced detector for quantum optical homodyne tomography. Optics Com. 285, 5259-5267 (2012).
- Nielsen, A. E. B., Mølmer, K. Single-photon-state generation from a continuous-wave nondegenerate optical parametric oscillator. Phys. Rev. A. 75, (2007).
- Morin, O., et al. Experimentally accessing the optimal temporal mode of traveling quantum light states. Phys. Rev. Lett. 111, 213-602 (2013).
- Lvovsky, A. I., Raymer, M. G. Continuous-variable optical quantum-state tomography. Rev. Mod. Phys. 81, 299-332 (2009).
- Marek, P., Fiurasek, J. Elementary gates for quantum information with superposed coherent states. Phys. Rev. A. 82, (2010).
- Morin, O., et al. Remote creation of hybrid entanglement between particle-like and wave-like optical qubits. Nat. Photonics. Eprint. , (2013).
