Génération et un contrôle cohérent des peignes de fréquence pulsée Quantum
Summary
Un protocole est présenté pour la génération pratique et manipulation cohérente des États de photon de haute dimension fréquence-bin empêtré avec micro intégrés-cavités et composants de télécommunications standard, respectivement.
Abstract
Nous présentons une méthode pour la génération et la manipulation cohérente des peignes de fréquence pulsée quantum. Jusqu’à présent, leurs procédés de préparation des États de grande dimension sur puce de manière pratique ont reste vagues en raison de la complexité croissante des circuits quantiques nécessaires pour préparer et traiter ces États. Ici, nous exposons comment haut-dimensionnels, fréquence-bin enchevêtré, États de deux photons peuvent être générés à un rythme stable, forte génération en utilisant une excitation imbriqués-cavité, activement mode bloqué d’une micro-cavité non linéaire. Cette technique est utilisée pour produire des peignes de fréquence pulsée quantum. Par ailleurs, nous présentons comment les États quantiques peuvent être cohérente manipulé à l’aide de composants de télécommunications standard tels que filtres programmables et modulateurs électro-optiques. En particulier, nous montrons en détail comment accomplir les mesures de caractérisation État tels que la reconstruction de matrice de densité, la détection de la coïncidence et détermination du spectre de photon unique. Les méthodes présentées forment une base accessible, reconfigurable et évolutive pour les protocoles de préparation et la manipulation complexe état de grande dimension dans le domaine fréquentiel.
Introduction
Le contrôle des phénomènes quantiques ouvre la possibilité pour les nouvelles applications dans des domaines aussi variés que sûr quantum communications1, traitement quantique de détection3et2de l’information quantique puissant. Alors qu’une grande variété de plates-formes physiques sont activement recherchées pour les réalisations de quantum technologies4, optique des États quantiques sont candidats importants car ils peuvent montrer fois long cohérence et stabilité du bruit extérieur, excellent caractéristiques de transmission, ainsi que la compatibilité avec l’existant de télécommunications et des technologies de puce (CMOS) de silicium.
Pour pleinement réaliser le potentiel des photons de technologies quantiques, contenu de complexité et d’information État peut être augmenté par l’utilisation de plusieurs parties enchevêtrés ou haute-dimensionnalité. Cependant, la génération sur puce de ces États optiques manque de praticité car configurations sont compliquées, pas parfaitement évolutive ou de l’utilisent de composants hautement spécialisé. Plus précisément, chemin de grande dimension-intrication exige 
sources identiques avec cohérence et excités et circuits élaborés de faisceau-diviseurs5 (où est la dimensionnalité de l’État), tandis qu’a besoin de temps-enchevêtrement complexe interféromètres multi-bras6. Fait remarquable, le domaine fréquentiel est adapté pour la génération évolutive et le contrôle des États complexes, comme en témoigne sa récente exploitation quantique fréquence peignes (CFQ)7,8 en utilisant une combinaison d’optique intégrée et télécommunications infrastructures9et fournit un cadre prometteur pour les technologies de l’information quantique futurs.
QFCs sur puce sont générés à l’aide des effets optiques non linéaires dans les cavités-micro intégrées. À l’aide d’un tel micro-résonateur non linéaire, deux photons intriqués (remarqués que le signal et idler) sont produites par spontanée mélange à quatre ondes, par l’intermédiaire de l’anéantissement des deux photons d’excitation – avec la paire résultante générée dans une superposition de la cavité modes de fréquence de résonance espacées (Figure 1). S’il y a cohérence entre les modes de fréquences individuelles, un état de fréquence-bin empêtré est formé10, qui est souvent considéré comme un mode bloqué deux photons état11. Cette fonction d’onde État peut être désignée,
Ici, 
et 
sont le galet tendeur de fréquence-monomode et signal composantes, respectivement, et 
est l’amplitude de probabilité pour le 
paire de mode signal-oisif – th.
Manifestations précédentes de sur puce QFCs soulignent leur polyvalence comme plates-formes d’information quantique viable et comprennent des peignes de photons corrélés12, les photons de polarisation croisée13, les photons intriqués14,15 , 16, multiphotonique déclare15et fréquence-bin empêtré États9,17. Ici, nous fournissons un aperçu détaillé de la plate-forme CFQ et un protocole pour la fréquence de grande dimension-bin empêtré contrôle et génération d’État optique.
Des applications quantiques futures, surtout ceux à être interfacé avec l’électronique à grande vitesse (pour le traitement de l’information en temps opportun), exigent la génération haut débit des États de photons de grande pureté dans une configuration compacte et stable. Nous utilisons un régime cavité activement mode bloqué, imbriqués pour produire QFCs dans les télécommunications à des bandes de fréquence S, C et L. Un anneau en micro est incorporé dans une plus grand laser pulsé cavité, avec gain optique (fourni par un amplificateur à fibre dopée à l’erbium, EDFA) filtrée pour correspondre à l’excitation de micro-anneau bande passante18. Mode de verrouillage est activement réalisé via électro-optiques modulation de la cavité pertes19. Un isolateur assure que la propagation des impulsions suit une direction unique. Le train d’impulsions qui en résulte a de bruit très faible moyenne quadratique (RMS) et présente des taux de redoublement accordable et pouvoirs de l’impulsion. Un filtre haute isolation sépare les photons émis des CFQ du champ d’excitation. Ces photons uniques sont ensuite guidés par l’intermédiaire de fibres pour la détection et de contrôle.
Notre projet est une étape vers un taux de production élevé, source CFQ de faible encombrement, comme tous les composants utilisés peuvent potentiellement être intégrés sur une puce photonique. En outre, excitation puisée est particulièrement bien adaptée pour des applications quantiques. Tout d’abord, en regardant une paire de micro-cavité résonances symétriques à l’excitation, il génère deux photons États où chaque photon est caractérisée par une fréquence unique mode – centrale quantique optique linéaire, calcul20. Ainsi, multiphotonique États peuvent être générés en se déplaçant à des régimes d’excitation puissance plus élevées et en sélectionnant plusieurs paires de signal-galet tendeur15. Deuxièmement, comme les photons sont émis dans les fenêtres de temps connue correspondant à l’excitation puisée, post-traitement et le déclenchement peuvent être implémentées pour améliorer la détection de l’État. Peut-être plus important encore, notre régime supporte des taux de génération haute des États de photons à l’aide de verrouillage de mode harmonique sans pour autant réduire le ratio de coïncidence à-accidentelle (voiture)-qui pourrait ouvrir la voie pour l’information quantique à grande vitesse, multicanal technologies.
Afin de démontrer l’impact et la faisabilité de la fréquentiel, contrôle des CFQ États doit être accomplie de manière ciblée, assurer des transformations très efficaces et la cohérence de l’État. Pour satisfaire ces exigences, nous utilisons des filtres programmables en cascade et modulateurs de phase – composants établies dans l’industrie des télécommunications. Filtres programmables peuvent servir à imposer une amplitude spectrale arbitraire et masque de phase sur les photons uniques, avec une résolution suffisante pour traiter chaque mode fréquence individuellement ; et modulateurs électro-optiques phase conduits par les générateurs de signaux radio-fréquence (RF) facilitent le mélange des composants de fréquence21.
L’aspect le plus important de ce régime de contrôle est qu’il fonctionne sur tous les modes de quantique des photons simultanément dans un seul mode spatial, à l’aide d’éléments de contrôle unique. Augmentant la dimensionnalité de l’état quantique ne conduira pas à une augmentation de la complexité de l’installation, contrairement aux régimes enchevêtrement chemin – ou temps-bin. Ainsi, tous les composants sont extérieurement reconfigurable (c’est-à-dire les opérations peuvent être modifiées sans modifier l’installation) et utiliser l’infrastructure de télécommunications existante. Ainsi, des développements actuels et à venir dans le domaine de traitement optique ultrarapide peuvent être transférées directement au contrôle évolutif des États quantiques dans l’avenir.
En résumé, l’exploitation de la fréquence-domaine de QFCs prend en charge la génération de taux élevé d’états quantiques complexes et leur contrôle et est donc bien adaptée pour le harnachement des États complexes vers les technologies quantiques pratique et évolutif.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le domaine fréquentiel optique, via QFCs, est avantageux dans les applications quantique pour une multitude de raisons. Opérations sont globale, agissant sur tous les États en même temps, qui se traduit par un design qui n’évolue pas dans la taille ou la complexité comme les augmentations de dimensionnalité État. Ceci est renforcé car les composants peuvent être reconfiguré à la volée sans modifier la configuration et sont susceptibles d’être intégrés sur puce en exploitant existants et/ou de dévelop…
Acknowledgements
Nous remercions les idées techniques ; R. Helsten P. Kung de QPS Photronics pour l’aide et l’équipement de traitement ; ainsi que QuantumOpus et N. Bertone de composants optoélectroniques pour leur soutien et nous fournissant de l’équipement de détection de photon de l’état-of-the-art. Ce travail a été rendu possible par les sources de financement suivantes : Sciences naturelles et génie recherche Conseil du Canada (CRSNG) (Steacie, stratégique, découverte et les régimes de subventions accélération, études supérieures du Canada Vanier, USRA bourse) ; MITACS (IT06530) et PBEEE (207748) ; MESI PSR-SIIRI Initiative ; Programme Canada Research Chair ; Projets de découverte du Conseil de recherche australien (DP150104327) ; Recherche de Horizon 2020 de l’Union européenne et le programme d’innovation en vertu de la Marie Sklodowska-Curie accordent (656607) ; Programme CityU SRG-Fd (7004189) ; Programme de recherche stratégique prioritaire de l’Académie chinoise des Sciences (XDB24030300) ; Programme « personnes » (Actions Marie Curie) du Programme FP7 de l’Union européenne en vertu de la Convention de subvention REA INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466) ; Gouvernement de la Fédération de Russie par le biais de l’ITMO Fellowship et programme de professorat (subvention 01 074-U) ; Programme de 1000 talents du Sichuan (Chine)
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 |
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