Quantum State Engineering of Light med kontinuerlig bølge Optisk parametriske oscillatorer

Summary

Vi beskriver pålitelig generasjon av ikke-Gaussisk statene reise optiske felt, inkludert single-foton stater og sammenhengende statlige superpositions, ved hjelp av en betinget forberedelse metode drives på non-klassisk lys slippes ut av optiske parametriske oscillatorer. Type-I og type II-fase-matchet oscillatorer er vurdert og felles prosedyrer, som for eksempel den nødvendige frekvensfiltrering eller høyeffektive kvantetilstand karakterisering av homodyning, er detaljert.

Abstract

Ingeniør ikke-klassiske tilstander av det elektromagnetiske feltet er et sentralt oppdrag for kvanteoptikk ^1,2. Utover prinsipiell betydning, slike tilstander er faktisk ressurser til å gjennomføre ulike protokoller, alt fra forbedret metrologi til quantum kommunikasjon og databehandling. En rekke enheter kan brukes til å generere ikke-klassiske stater, for eksempel enkelt emittere, lys-materie grensesnitt eller ikke-lineære systemer ^tre. Vi fokuserer her på bruk av en kontinuerlig bølge optiske parametrisk oscillator ^3,4. Dette systemet er basert på en ikke-lineær χ ^a krystall innsatt inne i et optisk hulrom og det er nå kjent som en meget effektiv kilde for ikke-klassiske lys, slik som enkeltmodus-eller to-modus klemt vakuum avhengig av krystall fase matching.
Presset vakuum er en Gaussian staten som sin kvadratur distribusjoner følger et Gaussisk statistikk. Imidlertid har det vist seg at antallet av protokollene krever ikke-Gaussian sier ^fem. Genererer direkte slike stater er en vanskelig oppgave og vil kreve sterk χ ^tre ikke-lineære. En annen prosedyre, probabilistic men varslet, består i å bruke en måling-indusert ikke-linearitet via en betinget forberedelse teknikk operert på Gaussian stater. Her, vi detalj denne generasjonen protokoll for to ikke-Gaussisk stater, den single-foton staten og en superposisjon av sammenhengende statene, ved hjelp av to forskjellig fase-matchet parametriske oscillatorer som primære ressurser. Denne teknikken gjør det mulig for oppnåelse av en high fidelity med målrettet staten og generering av staten i en godt kontrollert tid og rom modus.

Introduction

Evnen til ingeniør kvantetilstand av reiser optiske felt er en sentral forutsetning for quantum informatikk og teknologi ^1, inkludert quantum kommunikasjon, databehandling og metrologi. Her diskuterer vi utarbeidelse og karakterisering av enkelte kvantetilstander bruker som en primær ressurs lyset slippes ut av kontinuerlig bølge optiske parametriske oscillatorer ^3,4 operert under terskel. Spesielt vil to systemer vurderes – en type-II fase-matchet OPO og en type-I OPO – slik at henholdsvis pålitelig generasjon varslet enkelt-fotoner og optiske sammenhengende statlige superpositions (CSS), dvs. tilstander av form | α > – |-α>. Disse landene er viktige ressurser for gjennomføring av en rekke kvante informasjons protokoller, alt fra lineære optiske quantum beregning ^seks til optiske hybrid protokoller ^5,7. Betydelig, metoden p mislikte her tillater få en lav innblanding av vakuum og utslipp til et godt kontrollerte tid og rom modus.

Generelt sett kan kvantum bli klassifisert som Gaussisk tilstander og ikke-Gaussiske tilstander i henhold til formen av fordelingen kvasi-sannsynlighet i faserommet kalt Wigner funksjonen W (x, p) ^8. For ikke-Gaussiske stater, kan det Wigner funksjon ta negative verdier, en sterk signatur av ikke-classicality. Single-foton eller sammenhengende statlige superpositions er faktisk ikke-Gaussisk stater.

En effektiv fremgangsmåte for generering av slike tilstander som er kjent som den betingede preparat teknikk, hvor en første Gaussisk ressurs er kombinert med en såkalt ikke-Gaussisk måling slik som foton-telle ^{9,10,11,12,13.} Denne generelle ordningen, probabilistic men varslet, er skissert 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) Konsept ordning av den betingede forberedelse teknikk. (B) Betinget fremstilling av enkeltfotontilstand fra ortogonalt polariserte-fotonene i fotonparet (type-II-OPO) separert på en polariserende strålesplitter. (C) Betinget fremstilling av en koherent tilstand superposisjon ved å trekke en enkelt foton fra en presset vakuumtilstand (type-I OPO).

Ved å måle en modus av en todelt sammenfiltret tilstand, blir den andre modusen projisert inn i en tilstand som vil være avhengig av denne måling, og på den første viklet ressurs ^12,13.

Det er den ønskede ressurs og heralding detektor nødvendig for å generere de nevnte tilstander? Single-foton stater kan bli generert ved hjelp av to bjelker, dvs. foton-nummer korrelert bjelker. Påvisning av en enkelt-pHoton på en modus da varslet den generasjon av en enkelt-foton på den andre modusen ^9,10,14,15. En frekvens-degenererte type II OPO ^16,17,18,19 er faktisk en velegnet kilde for dette formål. Signal og dagdriver fotoner er foton-nummer korrelert og slippes med ortogonal polarisasjon. Detektering av en enkelt-foton på en polarisasjonsmodus projiserer den andre inn i en enkelt-fotontilstand, som vist på figur 1b.

Når det gjelder sammenhengende tilstand superpositions, kan de frembringes ved å subtrahere en enkelt-foton fra en presset vakuumtilstand ²⁰ oppnås enten ved pulset enkeltpass para nedkonvertering ^11,21 eller av en type-I OPO ^22,23. Den subtraksjon utføres ved å tappe en liten brøkdel av lys på en stråle-splitter og detektering av en enkelt-foton i denne modusen (figur 1c). En presset vakuum er en superposisjon av selv foton-nummer statene, og dermed trekke et single-foton førertil en superposisjon av odde foton-talltilstander, som har en høy nøyaktighet med en lineær overlagring av to koherente tilstander av lik og liten amplitude. Av denne grunn har navnet "Schrödingers kattungens noen ganger blitt gitt til denne tilstanden.

Den generelle prosedyren for generering av disse tilstander er således lik, men skiller seg ved den primære lyskilde. Filtrering av de Heralding sti-og påvisningsteknikker er de samme uansett hvilken type OPO anvendes. Den nåværende serie av protokoller detalj hvordan å generere disse to ikke-Gaussisk stater fra kontinuerlig bølge optiske parametriske oscillatorer og hvordan å karakterisere dem med høy effektivitet.

Protocol

En. Optisk Parametrisk Oscillator Bygg en 4 cm lang semimonolithic lineær hulrom (for bedre mekanisk stabilitet og redusert intrakavitet tap). Inngangs speil er direkte belagt på en flate av den ikke-lineære krystall. Velge en inngangskobler refleksjon på 95% for pumpen ved 532 nm og med høy refleksjon for signalet og tannhjulet på 1064 nm. Omvendt, velger utgangskobler for å være svært reflekterende for pumpen og overforings T = 10% for infrarød. Den frie spektralområdet for OPO er lik ?…

Representative Results

For den type-II OPO og generering av high-fidelity enkelt foton tilstand: Den tomografisk rekonstruksjon av den omtalte tilstand er vist i figur 2, hvor de diagonale elementene av den rekonstruerte tetthet matrisen og tilsvarende Wigner-funksjonen er vist. Uten tap rettelser, viser det varslet staten en single-foton komponent så høyt som 78%. Ved å ta hensyn til de samlede tapene deteksjon (15%), når staten riktighet av 91% med en single-foton tilstand. Den to-foton-komponenten, noe som resul…

Discussion

Den betingede preparat teknikken presentert her er alltid et samspill mellom det første todelt ressurs, og målingen utføres av heralding detektoren. Disse to komponenter sterkt påvirke kvante egenskapene til det genererte tilstand.

For det første avhenger sterkt renheten av de preparerte tilstander på den ene av den første kilde, slik at en "god" OPO er nødvendig. Hva er en 'god' OPO? Det er en enhet som flukten effektivitet η er nær enighet. Parameteren η er git…

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