We beschrijven een optisch systeem voor het genereren van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrikt fotonen op basis van meerdere kwantum interferentie-effecten met een detectie schema om de experimentele betrouwbaarheid van gegenereerde verstrikt fotonen te schatten.
We presenteren een high-performance bron van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrengeld fotonen met een hoge-emissie snelheid, een breedband distributie, zijn gedegenereerd en postselection gratis. De eigenschap van de bron is gebaseerd op het meervoudige kwantum interferentie-effect met een round-trip configuratie van een Sagnac-interferometer. De kwantum interferentie-effecten maken het mogelijk om de hoge generatie efficiëntie van de polarisatie-verstrengelde fotonen te gebruiken om parametrische down conversie te verwerken, en afzonderlijke gedegenereerde foton-paren in verschillende optische modi zonder een postselection Vereiste. Het principe van het optische systeem werd beschreven en experimenteel gebruikt om de getrouwheids-en Belparameters te meten, en ook om de gegenereerde polarisatie te karakteriseren-verstrengeld fotonen van minimaal zes combinaties van polarisatie gecorreleerde gegevens. De experimenteel verkregen getrouwheids-en Belparameters overtroffen de klassieke lokale correlatie limiet en zijn duidelijk bewijs van de generatie van onvoorwaardelijke polarisatie-verstrikt fotonen.
De verstrengelde staat van fotonen heeft veel belangstelling getrokken in de studie van lokaal realisme in de kwantumtheorie en nieuwe toepassingen van Quantum Cryptography1, Quantum dense Coding2, Quantum repeater3en Quantum Teleportatie4. Spontane parametrische down-Conversion (SPDC) is een tweede-orde niet-lineair proces dat is geïntroduceerd om direct verstrikt fozijn paren in de polarisatie toestanden te produceren. Vanwege de recente ontwikkeling in quasi-fase-matching technieken zijn de periodiek gepoled KTiOPO4 (ppktp) en linbo3 (ppln) uitgegroeid tot een standaardtechniek5. Verschillende soorten verstrikking bronnen worden ontwikkeld door het combineren van deze niet-lineaire kristallen met een Sagnac interferometer6,7,8. In het bijzonder maakt de regeling met orthogonaal gepolariseerde fotonen paren verkregen door type-II SPDC het mogelijk om onvoorwaardelijke polarisatie-verstrengelde fotons en ook gescheiden ontaarde polarisatie-verstrengeld paren in verschillende optische modi zonder postselectieve detectie7.
Type-0 SPDC daarentegen heeft het voordeel van een eenvoudige installatie en een hoge-emissie verhouding van foton Pairs9. Bovendien vertonen de gegenereerde foton-paren in type-0 SPDC een veel bredere bandbreedte dan de fotonen van type-II SPDC. De totale photon-pair productiesnelheid per unit pomp macht is twee orders van grootte hoger als gevolg van de grote bandbreedte8. Een grote bandbreedte van gecorreleerde foton paren maakt een zeer korte toeval tijd tussen de gedetecteerde foton paren. Deze eigenschap heeft geleid tot verschillende mogelijke toepassingen, zoals kwantum optische coherentie tomografie10, voor het bereiken van ultrakorte temporale correlaties via niet-lineaire interacties met de flux van verstrikt fotonen11, metrologie methoden met behulp van de zeer nauwe dip in Quantum interferentie12, Quantum clock synchronisatie13, tijds frequentie verstrikking meting14, en multimode frequentie verstrikking15. Het schema met de gewone type-0 SPDC vereist echter voorwaardelijke detectie schema’s6 of golflengte filteren8 of ruimtelijke modus filtering om de gegenereerde polarisatie-verstrikt fotonen16scheiden.
We realiseerden een regeling die voldoet aan de eigenschappen van type-0 en type-II SPDC tegelijkertijd op basis van meerdere kwantum interferentie processen17. De details van het optische systeem werden beschreven en experimenteel gebruikt voor het meten van de parameters die de gegenereerde polarisatie-verstrengelde fotonen met behulp van een minimum aantal experimentele gegevens karakteriseren.
De Jones-vector van horizontale (H) en verticale (V) polarisatie toestand kan worden geschreven als
en. Alle mogelijke zuivere polarisatie toestanden zijn opgebouwd uit coherente Super posities van deze twee polarisatie toestanden. Zo worden bijvoorbeeld de diagonaal (D), anti-diagonaal (A), rechter-circulair (R) en links-circulair (L) licht weergegeven door:
,
, (1)
En
,
H en V worden de rechtlijnige polarisatie grondslagen genoemd. D en A worden de diagonale polarisatie basissen genoemd. R en L worden de circulaire polarisatie grondslagen genoemd. Deze zuivere en ook gemengde toestanden van de polarisatie kunnen worden weergegeven door dichtheids matrixen op basis van de H-en V-polarisatie basissen18.
Het werkingsprincipe van de regeling is weergegeven in Figuur 1a-e. De laser wordt geïnjecteerd in een polarisatie-Sagnac-interferometer die bestaat uit een polariserende bundel splitter (PBS), twee halve golfplaten ingesteld op 45o (HWP1) en 22,5o (HWP2), een ppktp-kristal en spiegels. De polarisatie optiek met deze Setup werkt zowel voor de golflengte van het pomp veld als voor de down-geconverteerde fotonen.
De H-component van de pomp laser gaat door de PBS zoals weergegeven in Figuur 1a en round trips de Setup in een rechtsom (CW) richting. De polarisatie van de pomp laser werd omgekeerd tot de diagonaal (D) toestand door middel van HWP2. Hier werkt de V-component van de pomp laser voor down-conversie, en de gegenereerde fotonen zijn V-gepolariseerd met type-0 SPDC. De SPDC-polarisatie status van gegenereerde foton-paren kan worden weergegeven als:
. 2
De down-geconverteerde fotonen paren zijn H-gepolariseerd door de HWP1 ingesteld op 45o zoals weergegeven in Figuur 1b, en de polarisatie toestand wordt:
. 3
De laserstraal van de pomp injecteerde de omgekeerde fotonparen opnieuw in de ppKTP. De gegenereerde fotonen paren van de tweede SPDC zijn beide V-gepolariseerd en voorzien van de fotonen paren gegenereerd door de eerste SPDC voor een collineaire optische modus zoals afgebeeld figuur 1c. De polarisatie toestand van de foton pairs na de tweede SPDC wordt weergegeven als:
4
waar is de relatieve fase tussen het foton-paar vanaf de eerste en tweede SPDC. De fase varieert niet met de tijd, omdat deze wordt bepaald door de HWP1’s materiaal dispersie tussen de pomp laser en de down-geconverteerde fotonen, en instelbaar door kantel HWP1. De H (V)-polarisatie toestand van de neergezette fotonen werd omgekeerd naar een (D) toestand zoals weergegeven in (1). De polarisatie toestand van de output foton pair van HWP2 wordt weergegeven als:
5
Wanneer de fase wordt ingesteld door kantelen HWP1, blijft alleen de eerste term van de staat (5) zoals weergegeven in figuur 1d. Dit is het kwantum interferentie proces dat overeenkomt met het omgekeerde Hong-ou-Mandel (HOM) interferentie proces van de polarisatie basissen19. Wanneer de H-foton door PBS gaat en de V-foton wordt gereflecteerd door PBS, wordt de polarisatie toestand van de output foton paren van
PBS weergegeven als voor Optical Mode1 en 2, zoals afgebeeld in Figuur 1e.
Omgekeerd werd de V-component van de pomp Laser weerspiegeld door PBS, zoals weergegeven in Figuur 1f en ronde in een linksom (CCW) richting. Via vergelijkbare multiple type-0 SPDC-processen en unitaire transformaties wordt de polarisatie status van de uitvoer van PBS. Wanneer de polarisatie toestand van de pomp laser werd bereid in diagonale (D) toestand, was de relatieve fase tussen H-en V-componenten van de pomp Laser nul. Daarom wordt de uitvoer toestand van gegenereerde fotonen van CW en CCW-richtingen met dezelfde amplituden aangeduid en weergegeven als:
. 6
De uitgangstoestand is een polarisatie-verstrenkende toestand die bekend staat als een van de klok toestanden en kan worden omgezet in andere drie toestanden met behulp van de polarisatie optiek elementen7. Met behulp van de in (1) getoonde relatie kan de uitgangstoestand worden weergegeven door diagonale polarisatie grondslagen als:
en door circulaire polarisatie basissen als
:.
De cruciale stap in het protocol is hoe de getrouwheid van de gegenereerde polarisatie verstrikt fotonen te maximaliseren. De geschatte getrouwheids-en Belparameters zijn momenteel beperkt, vooral omdat we multimode-vezels gebruikten om de gegenereerde verstrikt fotonen te verzamelen. De kanteling van HWP1 beïnvloede het hoogteverschil van de ruimtelijke modi tussen de fotonen van de eerste en tweede SPDC en veroorzaakte een niet-overeenkomende ruimtelijke modus op de uitvoer van de Sagnac-interferometer. De getrouwheid wordt naar verwachting hoger bij het gebruik van single-mode vezels die de ruimtelijke modus overlappende gebied van de gegenereerde eerste en tweede SPDC fotonen uitfilteren. Bovendien beïnvloede het dubbele breking-effect van het ppktp-kristal de niet-overeenkomende modus tussen de eerste en tweede SPDC-fotonen. In de toekomst kunnen we de parameters eventueel verbeteren door extra compensatie kristallen te gebruiken.
De betekenis van het protocol is om verschillende eigenschappen tegelijk met betrekking tot de bestaande methode te realiseren. De bron van de polarisatie verstrengeld fotonen met het protocol hebben een hoge-emissie snelheid, zijn ontaarde, hebben een breedband distributie, en zijn post-selectie gratis. Het karakteristieke voordeel van het protocol is gebaseerd op de meervoudige kwantum interferentie met behulp van een double-Pass polarisatie Sagnac interferometer. Het Photonic-systeem maakt het mogelijk om de grote generatie efficiëntie van polarisatie verstrikt fotonen te gebruiken en ontaarde foton-paren te scheiden in verschillende optische modi zonder de vereiste van postselection. Het systeem van high-performance polarisatie verstrikt fotonen kan worden toegepast voor de nieuwe Photonic Quantum Information Technologies1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd gesteund door Research Foundation for opto-Science and Technology, Japan. Wij danken Dr. Tomo Osada voor de nuttige besprekingen.
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 |