Vi beskriver et optisk system til generering af ubetingede polariserings-viklet fotoner baseret på flere kvante interferens effekter med et detektionsskema til at estimere den eksperimentelle pålidelighed af genererede viklet fotoner.
Vi præsenterer en højtydende kilde til ubetinget polarisering-viklet fotoner, der har en høj-emission sats, en bredbånds distribution, er degenereret og postselection gratis. Egenskaben af kilden er baseret på den multiple Quantum interferens effekt med en rundtur konfiguration af en Sagnac interferometer. De kvante interferens effekter gør det muligt at bruge den høje generation effektivitet af polariserings-viklet fotoner at behandle parametrisk ned-konvertering, og adskille degenererede photon par i forskellige optiske tilstande uden en post Selection Krav. Princippet om det optiske system blev beskrevet og eksperimentelt anvendes til at måle troskab og klokke parametre, og også til at karakterisere den genererede polarisering-viklet fotoner fra et minimum af seks kombinationer af polarisering korrelerede data. De eksperimentelt opnåede fidelity og Bell parametre overskredet den klassiske lokale korrelations grænse og er klare beviser for generering af betingelsesløs polarisering-viklet fotoner.
Den indviklet tilstand af fotoner har tiltrukket betydelig interesse i studiet af lokale realisme i Quantum teori og nye anvendelser af Quantum kryptografi1, Quantum DENSE kodning2, Quantum repeater3, og Quantum teleportation4. Spontan parametrisk down-Conversion (SPDC) er en anden-Order ikke-lineær proces, der er blevet introduceret til direkte at producere viklet foton par i polariserings tilstande. På grund af den nylige udvikling i kvasi-fase matchnings teknikker er den periodisk stik ktiopo4 (ppktp) og linbo3 (ppln) blevet en standard teknik5. Flere typer af indvikling kilder er udviklet ved at kombinere disse ikke-lineære krystaller med en sagnac interferometer6,7,8. Navnlig giver Ordningen med ortogonalt polariserede foton-par opnået ved type II-SPDC mulighed for at generere ubetingede polariserings-viklet fotoner og også adskille degenererede polariserings-viklet foton-par i forskellige optiske tilstande uden post selektiv detektion7.
I modsætning hertil har type-0 SPDC fordelen ved en enkel opsætning og et højt emissions forhold på photon Pairs9. Desuden viser de genererede photon-par i type-0 SPDC en meget bredere båndbredde end fotoner af type II SPDC. Den samlede photon-pair produktionshastighed pr. enhed pumpeeffekt er to størrelsesordener højere på grund af dens store båndbredde8. En stor båndbredde af korrelerede photon Pairs giver en meget kort tilfældighed tid mellem de detekterede photon Pairs. Denne egenskab har ført til flere potentielle applikationer såsom Quantum optisk kohærens tomografi10, for at opnå ultrakorte tidsmæssige korrelationer gennem ikke-lineære interaktioner med flux af viklet fotoner11, metrologi metoder ved hjælp af den meget smalle dip i Quantum interferens12, Quantum Clock synkronisering13, tidsfrekvens indfiltrning måling14, og multi mode frekvens indfiltrlement15. Men ordningen med almindelig type-0 SPDC kræver betingede detekterings skemaer6 eller bølgelængde filtrering8 eller rumlig-tilstand filtrering for at adskille de genererede polarisering-viklet fotoner16.
Vi indså en ordning, der opfylder egenskaberne for både type-0 og type-II SPDC samtidig baseret på flere Quantum interferens processer17. Detaljerne i det optiske system blev beskrevet og eksperimentelt anvendt til at måle de parametre, der karakteriserer de genererede polariserings-viklet fotoner ved hjælp af et mindste antal eksperimentelle data.
Jones vektor af horisontale (H) og lodrette (V) polariserings tilstand kan skrives som og.
Alle mulige rene polariserings tilstande er konstrueret af sammenhængende super positioner af disse to polariserings tilstande. F. eks. repræsenteres Diagonal (D), anti-Diagonal (A), højre-cirkulær (R) og venstre-cirkulær (L) lys henholdsvis af:
,
, (1)
Og
,
H og V kaldes de rectilineære polariserings baser. D og A kaldes diagonal polariserings baser. R og L kaldes de cirkulære polariserings baser. Disse rene og også blandede stater i polariseringen kan repræsenteres af massefylde matrixer baseret på H-og V-polariserings baserne18.
Ordningens Funktionsprincip er vist i figur 1a-e. Laseren injiceres i en polarisering Sagnac interferometer består af en polariserende stråle splitter (PBS), to halvbølge plader sat til 45o (HWP1) og 22,5o (HWP2), en ppktp krystal, og spejle. Den polariserings optik med dette setup arbejde for både bølgelængden af pumpen laser felt og ned-konverterede fotoner.
H-komponenten i pumpe laseren passerer gennem PBS som vist i figur 1a og rundture opsætningen i en retning med uret (CW). Polariseringen af pumpe laseren blev inverteret til den diagonale (D) tilstand gennem HWP2. Her V-komponenten af pumpen laser arbejder for ned-konvertering, og de genererede fotoner er V-polariseret med type-0 SPDC. SPDC-polariserings tilstanden for genererede photon-par kan repræsenteres som:
. 2
De nedkonverterede photon-par er H-polariseret gennem HWP1 indstillet til 45o som vist i figur 1b, og polariserings tilstanden bliver:
. 3
Pumpe laserstrålen injicerede igen de omvendte foton-par i ppKTP. De genererede photon Pairs fra den anden SPDC er begge V-polariserede og overlejret med photon Pairs genereret af den første SPDC for en kollineære optisk tilstand som vist figur 1c. Den polariserings tilstand af foton par efter den anden SPDC er repræsenteret som:
4
hvor er den relative fase mellem photon pair fra første og anden SPDC. Fasen varierer ikke med tiden, fordi den bestemmes af HWP1’s materiale dispersion mellem pumpe laseren og de nedkonverterede fotoner og kan justeres ved at vippe HWP1. H (V)-polariserings tilstanden for de nedkonverterede fotoner blev inverteret til en (D) tilstand som vist i (1). Polariserings tilstanden for output photon pair fra HWP2 er repræsenteret som:
5
Når fasen indstilles ved at vippe HWP1, er kun den første periode af staten (5) som vist i figur 1d. Dette er den kvante interferens proces, der svarer til den omvendte Hong-ou-mandel (HOM) interferens proces af polariserings baserne19. Når H-foton passerer gennem PBS og V-photon afspejles af PBS, er polariserings tilstanden for output photon Pairs fra PBS repræsenteret som
for optisk MODE1 og 2 som vist i figur 1E.
Modsat blev V-komponenten i pumpe laseren reflekteret af PBS som vist i figur 1f og rundt udløst i en retning mod uret (CCW). Gennem lignende multiple type-0 SPDC processer og enheds transformeringer bliver polariserings tilstanden for output fra PBS. Når pumpe laserens polariserings tilstand blev fremstillet i Diagonal (D) tilstand, var den relative fase mellem H-og V-komponenterne i pumpe laseren nul. Derfor er outputtilstand af genererede fotoner fra CW og CCW retninger overlejret med de samme amplituder og repræsenteret som:
. 6
Udgangstilstanden er en polariserings-viklet tilstand kendt som en af klokke staterne og kan omdannes til andre tre stater ved hjælp af polariserings optik elementer7. Ved brug af relationen vist i (1) kan outputtilstanden repræsenteres af diagonale polariserings baser som:
og ved cirkulære polariserings baser som:
.
Det kritiske skridt i protokollen er, hvordan man maksimerer troskab af den genererede polarisering viklet fotoner. De anslåede fidelity og Bell parametre er i øjeblikket begrænset, primært fordi vi brugte multi mode fibre til at indsamle de genererede viklet fotoner. Hældningen af HWP1 påvirkede højdeforskellen mellem de rumlige tilstande mellem fotoner i den første og anden SPDC og forårsagede en rumlig tilstand uoverensstemmelse på outputtet af Sagnac interferometer. Troskab forventes at være højere, når du bruger single-mode fibre, der filtrerer den rumlige-mode-overlappende område af den genererede første og anden SPDC fotoner. Desuden påvirkede den birefringence effekt af ppKTP Crystal tilstands uoverensstemmelsen mellem den første og den anden SPDC-fotoner. I fremtiden kan vi muligvis forbedre parametrene ved at bruge yderligere kompensations krystaller.
Betydningen af protokollen er at realisere flere egenskaber samtidig med hensyn til eksisterende metode. Kilden til den polariserings sammenfiltrede fotoner med protokollen har en høj-emission sats, er degenereret, har en bredbånds distribution, og er post-Selection gratis. Den karakteristiske fordel ved protokollen er baseret på den multiple Quantum interferens ved hjælp af en dobbelt-pass polarisering Sagnac interferometer. Det fotoniske system gør det muligt at bruge den store generations effektivitet af polariserings viklet fotoner og at adskille degenererede photon Pairs i forskellige optiske tilstande uden krav om post udvælgelse. Systemet med højtydende polariserings viklet fotoner kan anvendes til nye fotoniske kvante informationsteknologier1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev støttet af Research Foundation for opto-Science and Technology, Japan. Vi takker Dr. Tomo Osada for de nyttige diskussioner.
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 |