우리는 생성된 얽힌 광자의 실험 적 충실도를 추정하기 위한 검출 방식과 함께 여러 양자 간섭 효과를 기반으로 무조건 편광 얽힌 광자의 생성을 위한 광학 시스템을 설명합니다.
우리는 높은 방출 속도, 광대역 분포를 가지고, 퇴화 및 사후 선택이 없는 무조건 편광 얽힌 광자의 고성능 소스를 제시한다. 소스의 특성은 사냑 간섭계의 왕복 구성을 가진 다중 양자 간섭 효과를 기반으로 합니다. 양자 간섭 효과를 통해 분극 얽힌 광자의 높은 생성 효율을 사용하여 파라메트릭 다운 변환을 처리하고 퇴화된 광자 쌍을 사후 선택 없이 다른 광학 모드로 분리할 수 있습니다. 요구 사항. 광학 시스템의 원리는 충실도 및 Bell 파라미터를 측정하고, 또한 최소 6가지 의 편광 상관 데이터 조합으로부터 생성된 편광 얽힌 광자를 특성화하기 위해 설명및 실험적으로 사용되었다. 실험적으로 얻은 충실도 및 Bell 파라미터는 고전적인 국소 상관 관계 한계를 초과했으며 무조건 편광 얽힌 광자의 생성에 대한 명확한 증거입니다.
광자의 얽힌 상태는 양자 암호1,양자 조밀 한 코딩2,양자 중계기3,양자 의 양자 이론및 새로운 응용 분야에서 지역 리얼리즘의 연구에 상당한 관심을 끌고있다 순간 이동4. 자발적파라메트릭 다운 컨버전(SPDC)은 편광 상태에서 얽힌 광자 쌍을 직접 생성하기 위해 도입된 2차 비선형 프로세스입니다. 준위상 매칭 기술의 최근 개발로 인해 주기적으로 폴드된 KTiOPO 4(ppKTP) 및 LiNbO3(ppLN)는 표준 기술5가되었다. 얽힘 소스의 여러 유형은 Sagnac 간섭계6,7,8과이러한 비선형 결정을 결합하여 개발된다. 특히, Type-II SPDC에 의해 얻어진 직교 편광자 쌍을 사용하여 무조건적인 편광 얽힌 광자를 생성하고 퇴화된 편광 얽힌 광자 쌍을 다른 광학으로 분리할 수 있습니다. 사후 선택적 감지없이 모드7.
대조적으로, 타입-0 SPDC는 광자 쌍9의간단한 설정 및 높은 방출 비의 장점을 가지고 있다. 더욱이, 타입-0 SPDC에서 생성된 광자 쌍은 타입-II SPDC의 광자보다 훨씬 더 넓은 대역폭을 보여준다. 단위 펌프 전력당 총 광자 쌍 생산 속도는 큰 대역폭8로인해 두 배 더 높은 크기입니다. 상관 관계가 있는 광자 쌍의 큰 대역폭은 검출된 광자 쌍 사이의 매우 짧은 우연의 시간을 허용합니다. 이 속성은 얽힌 광자(11)및 계측의 플럭스와 비선형 상호 작용을 통해 초단기 적상관을 달성하기위한 양자 광학 일관성 단층 촬영(10)과같은 몇 가지 잠재적 인 응용 프로그램을 주도하고있다 양자 간섭12,양자 클럭 동기화13,시간 주파수 얽힘 측정14,다중 모드 주파수 얽힘15에서매우 좁은 딥을 사용하는 방법. 그러나, 통상의 타입-0 SPDC를 사용하는 방식은 생성된 편광 얽힌광자(16)를분리하기 위해 조건부 검출방식(6) 또는 파장 필터링8 또는 공간 모드 필터링을 필요로 한다.
우리는 다중 양자 간섭 프로세스17을기반으로 type-0과 Type-II SPDC의 특성을 동시에 제공하는 방식을 실현했습니다. 광학 시스템의 세부 사항을 설명하고 실험적으로 최소한의 실험 데이터를 사용하여 생성 된 편광 얽힌 광자를 특성화하는 매개 변수를 측정하는 데 사용되었다.
수평(H) 및 수직(V) 분극 상태의 존스 벡터를 로 쓸 수 있습니다.
가능한 모든 순수 편광 상태는 이 두 편광 상태의 일관된 중첩으로 구성됩니다. 예를 들어 대각선(D), 대각선 방지(A), 오른쪽 원형(R) 및 좌원형(L) 라이트는 각각 다음과 같습니다.
,
, (1)
및
,
H와 V를 직선 편광 염기라고 합니다. D와 A를 대각선 편광 베이스라고 합니다. R 및 L은 원형 편광 염기라고 합니다. 이러한 순수하고 도혼합된 편광 상태는 H-및 V 편광염기(18)에기초한 밀도 매트릭스로 표현될 수 있다.
계획의 작동 원리는 도 1a-e에도시되어 있다. 레이저는 편광 빔 스플리터(PBS), 2개의 반파 플레이트를 45o(HWP1) 및 22.5o(HWP2),ppKTP 결정 및 거울로 구성된 편광 사냑 간섭계에 주입한다. 이 설정이 있는 편광 광학은 펌프 레이저 필드의 파장과 다운 컨버터블 광자 모두에 적합합니다.
펌프 레이저의 H 성분은 그림 1a와 같이 PBS를 통과하고 시계 방향(CW) 방향으로 설정을 왕복합니다. 펌프 레이저의 편광은 HWP2를 통해 대각선(D) 상태로 반전되었다. 여기서 펌프 레이저의 V 성분은 다운 컨페션을 위해 작동하며 생성된 광자는 Type-0 SPDC로 V 편광됩니다. 생성된 광자 쌍의 SPDC 편광 상태는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
. (2)
다운 변환된 광자 쌍은 그림 1b와같이 HWP1을 통해 45o로 설정된 H 편광이며, 편광 상태는 다음과 같습니다.
. (3)
펌프 레이저 빔은 다시 뒤집힌 광자 쌍을 ppKTP에 주입했다. 제2 SPDC로부터 생성된 광자 쌍은 도 1c와같이 공선 광학 모드에 대한 제1 SPDC에 의해 생성된 광자 쌍과 함께 V 편광 및 중첩된다. 두 번째 SPDC 이후의 광자 쌍의 편광 상태는 다음과 같이 표시됩니다.
(4)
여기서는 첫 번째 및 두 번째 SPDC에서 광자 쌍 사이의 상대상입니다. 위상은 펌프 레이저와 다운 컨버터블 광자 사이의 HWP1의 재료 분산에 의해 결정되고 HWP1을 기울이면 조정할 수 있기 때문에 시간에 따라 달라지지 않습니다. 다운 변환된 광자의 H(V) 편광 상태는 (1)에 도시된 바와 같이 A(D) 상태로 반전되었다. HWP2에서 출력 광자 쌍의 편광 상태는 다음과 같이 표시됩니다.
(5)
HWP1 을 기울이면 도 1d와같이 상태(5)의 첫 번째 용어만 유지됩니다. 이는 편광염기(19)의역홍-우-만델(HOM) 간섭 과정에 대응하는 양자 간섭 과정이다. H-광자PBS를 통과하고 V-광자PBS가 PBS에 의해 반사되면, 그림
1e와같이 PBS에서 출력 광자 쌍의 편광 상태가 광학 모드1 및 2로 표현된다.
반대로, 펌프 레이저의 V 성분은 도 1f에 도시된 바와 같이 PBS에 의해 반사되었고, 반시계 방향(CCW) 방향으로 트립되었다. 유사한 다중 유형 0 SPDC 프로세스 및 단일 변환을 통해 PBS에서 출력의 편광 상태가 됩니다. 펌프 레이저의 편광 상태를 대각선(D) 상태로 제조했을 때, 펌프 레이저의 H-및 V 성분 사이의 상대상은 0이었다. 따라서 CW 및 CCW 방향에서 생성된 광자의 출력 상태는 동일한 진폭으로 중첩되어 다음과 같이 표시됩니다.
. (6)
출력 상태는 Bell 상태 중 하나로 알려진 편광 얽힌 상태이며 편광 광학 요소7을사용하여 다른 3개 상태로 변환될 수 있다. (1)에 표시된 관계를 사용하여 출력 상태는 다음과 같이 대각선 편광 베이스로 나타낼 수 있습니다.
및 원형 편광 기지에 의해 :
.
프로토콜 내에서 중요한 단계는 생성된 편광 얽힌 광자의 충실도를 최대화하는 방법입니다. 추정 된 충실도 및 Bell 매개 변수는 현재 제한되어 있습니다. HWP1의 기울기는 첫 번째 및 두 번째 SPDC의 광자 사이의 공간 모드의 높이 차이에 영향을 미쳤으며 사냑 간섭계의 출력에 공간 모드 불일치를 일으켰습니다. 생성된 제1 및 제2 SPDC 광자의 공간 모드 중첩 영역을 필터링하는 단일 모드 섬유를 사용할 경우 충실도가 더 높아질 것으로 예상됩니다. 더욱이, ppKTP 결정의 버프리링 효과는 제1 및 제2 SPDC 광자 사이의 모드 불일치에 영향을 미쳤다. 미래에는 추가 보상 결정을 사용하여 파라미터를 개선할 수 있습니다.
프로토콜의 중요성은 기존 방법에 대해 동시에 여러 속성을 실현하는 것입니다. 프로토콜과 함께 얽힌 광자의 광원은 높은 방출 속도를 가지며, 퇴화되고, 광대역 분포를 가지며, 선택 후 자유로운다. 프로토콜의 특징적인 장점은 이중 패스 편광 사냑 간섭계를 이용한 다중 양자 간섭을 기반으로 한다. 포토닉 시스템은 편광 얽힌 광자의 큰 생성 효율을 사용하고 사후 선택없이 퇴화된 광자 쌍을 다른 광학 모드로 분리할 수 있게 합니다. 고성능 편광 얽힌 광자 시스템은 새로운 광 양자 정보 기술1,2,3,4에적용 할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 일본 광과학 기술 연구 재단의 지원을 받았습니다. 오사다 토모 박사님의 유용한 토론에 감사드립니다.
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 |