Wir beschreiben ein optisches System zur Erzeugung bedingungsloser polarisationsverwickelter Photonen, basierend auf mehreren Quanteninterferenzeffekten mit einem Detektionsschema, um die experimentelle Genauigkeit erzeugter verschränkter Photonen abzuschätzen.
Wir präsentieren eine leistungsstarke Quelle von bedingungslosen Polarisations-verschränkten Photonen, die eine hohe Emissionsrate haben, eine Breitbandverteilung, degeneriert und nach der Auswahl frei sind. Die Eigenschaft der Quelle basiert auf dem Effekt der mehrfachen Quanteninterferenz mit einer Roundtrip-Konfiguration eines Sagnac-Interferometers. Die Quanteninterferenzeffekte ermöglichen es, die hohe Erzeugungseffizienz der polarisationsgebundenen Photonen zu nutzen, um parametrische Down-Conversion zu verarbeiten und degenerierte Photonenpaare ohne Nachauswahl in verschiedene optische Modi zu trennen. forderung. Das Prinzip des optischen Systems wurde beschrieben und experimentell verwendet, um die Genauigkeits- und Glockenparameter zu messen und auch die erzeugten polarisationsverschränkten Photonen aus mindestens sechs Kombinationen von Polarisationskorrelierten Daten zu charakterisieren. Die experimentell erhaltenen Treue- und Glockenparameter überschritten die klassische lokale Korrelationsgrenze und sind ein klarer Beweis für die Erzeugung bedingungsloser polarisierungsverwirrter Photonen.
Der verworene Zustand von Photonen hat großes Interesse an der Erforschung des lokalen Realismus in der Quantentheorie und neuartigen Anwendungen der Quantenkryptographie1, quantendichte Codierung2, Quantenrepeater3und Quanten Teleportation4. Die spontane parametrische Down-Conversion (SPDC) ist ein nichtlinearer Prozess zweiter Ordnung, der eingeführt wurde, um in den Polarisationszuständen direkt verschränkte Photonenpaare zu erzeugen. Aufgrund der jüngsten Entwicklung von Quasi-Phasen-Matching-Techniken sind die periodisch abgewobenen KTiOPO4 (ppKTP) und LiNbO3 (ppLN) zu einer Standardtechnik geworden5. Mehrere Arten von Verflechtungsquellen werden durch die Kombination dieser nichtlinearen Kristalle mit einem Sagnac Interferometer6,7,8entwickelt. Insbesondere das Schema mit orthogonal polarisierten Photonenpaaren, die von Typ-II-SPDC erhalten wurden, ermöglicht die Erzeugung bedingungsloser polarisierungsverschränkter Photonen und auch die Trennung von degenerierten Polarisations-verschränkten Photonenpaaren in verschiedene optische Modi ohne postselektive Erkennung7.
Im Gegensatz dazu hat Typ-0 SPDC den Vorteil einer einfachen Einrichtung und einem hohen Emissionsverhältnis von Photonenpaaren9. Darüber hinaus weisen die erzeugten Photonenpaare in Typ-0 SPDC eine viel breitere Bandbreite auf als die Photonen des Typs II SPDC. Die Gesamtproduktionsrate des Photonenpaares pro Pumpenleistung ist aufgrund der großen Bandbreite8um zwei Größenordnungen höher. Eine große Bandbreite korrelierter Photonenpaare ermöglicht eine sehr kurze Zufallszeit zwischen den erkannten Photonenpaaren. Diese Eigenschaft hat zu mehreren möglichen Anwendungen wie quantenoptische Kohärenztomographie10geführt, um ultrakurze zeitliche Korrelationen durch nichtlineare Wechselwirkungen mit dem Fluss der verwickelten Photonen11, Messtechnik zu erreichen Methoden mit dem sehr schmalen Eintauchen in Quanteninterferenzen12, Quantentaktsynchronisation13, Zeit-Frequenz-Verschränkungsmessung14und Multimode-Frequenzverschanglement15. Das Schema mit gewöhnlichem Typ-0 SPDC erfordert jedoch bedingte Erkennungsschemata6 oder Wellenlängenfilterung8 oder räumliche Filterung, um die erzeugten polarisationsgebundenen Photonen16zu trennen.
Wir haben ein Schema realisiert, das die Eigenschaften von Typ-0 und Typ-II SPDC gleichzeitig auf der Grundlage mehrerer Quanteninterferenzprozesse erfüllt17. Die Details des optischen Systems wurden beschrieben und experimentell verwendet, um die Parameter zu messen, die die erzeugten polarisationsverschränkten Photonen mit einer minimalen Anzahl experimenteller Daten charakterisieren.
Der Jones Vector des horizontalen (H) und vertikalen (V) Polarisationszustandes kann als und
geschrieben werden. Alle möglichen reinen Polarisationszustände sind aus kohärenten Überlagerungen dieser beiden Polarisationszustände konstruiert. Beispielsweise werden die Lichtdiagonale(D), Antidiagonal(A), Rechtskreis(R) und linkskreisförmige(L)-Licht durch folgende Stellen dargestellt:
,
, (1)
und
,
H und V werden als geradlinige Polarisationsbasen bezeichnet. D und A werden als diagonale Polarisationsbasen bezeichnet. R und L werden als kreisförmige Polarisationsbasen bezeichnet. Diese reinen und auch gemischten Zustände der Polarisation können durch Dichtematrixen auf Basis der H- und V-Polarisationsbasen18dargestellt werden.
Das Funktionsprinzip der Regelung ist in Abbildung 1a-edargestellt. Der Laser wird in ein Polarisations-Sagnac-Interferometer injiziert, das aus einem Polarisationsstrahlsplitter (PBS), zwei Halbwellenplatten, die auf 45o (HWP1) und 22,5o (HWP2), einem ppKTP-Kristall, und Spiegeln eingestellt sind. Die Polarisationsoptik mit diesem Setup funktioniert sowohl für die Wellenlänge des Pumpenlaserfeldes als auch für nach unten konvertierte Photonen.
Die H-Komponente des Pumpenlasers durchläuft das PBS, wie in Abbildung 1a dargestellt, und Rundfahrten führen das Setup im Uhrzeigersinn (CW) durch. Die Polarisation des Pumpenlasers wurde durch HWP2 in den Diagonalzustand (D) umgedreht. Hier arbeitet die V-Komponente des Pumpenlasers für die Down-Conversion, und die erzeugten Photonen sind V-polarisiert mit Typ-0 SPDC. Der SPDC-Polarisationszustand erzeugter Photonenpaare kann wie ausfolgenden Folgenden dargestellt werden:
. (2)
Die nach unten konvertierten Photonenpaare werden durch den HWP1 auf 45o eingestellt, wie in Abbildung 1bdargestellt, und der Polarisationszustand wird:
. (3)
Der Pumpenlaserstrahl injizierte die invertierten Photonenpaare erneut in das ppKTP. Die erzeugten Photonenpaare aus dem zweiten SPDC sind sowohl V-polarisiert als auch mit den Vom ersten SPDC erzeugten Photonenpaaren für einen kollinearen optischen Modus, wie Abbildung 1cdargestellt. Der Polarisationszustand der Photonenpaare nach dem zweiten SPDC wird wie:
(4)
wobei die relative Phase zwischen dem Photonenpaar aus dem ersten und zweiten SPDC ist. Die Phase variiert nicht mit der Zeit, da sie durch die Materialdispersion des HWP1 zwischen dem Pumpenlaser und den nach unten konvertierten Photonen bestimmt und durch Kippen von HWP1 einstellbar wird. Der H(V)-Polarisationszustand der herunterkonvertierten Photonen wurde in Den Zustand A (D) umgedreht, wie in (1) dargestellt. Der Polarisationszustand des Ausgangsphotonenpaares von HWP2 wird wie:
(5)
Wenn die Phase durch Kippen von HWP1 eingestellt wird, bleibt nur der erste Term des Zustands (5) wie in Abbildung 1ddargestellt. Dies ist der Quanteninterferenzprozess, der dem umgekehrten Hong-Ou-Mandel (HOM) Interferenzprozess der Polarisationsbasen19entspricht. Wenn das H-Photon durch PBS geht und das V-Photon durch PBS reflektiert wird, wird der
Polarisationszustand der Ausgangsphotonenpaare von PBS wie für den optischen Modus1 und 2 dargestellt, wie in Abbildung 1edargestellt.
Umgekehrt wurde die V-Komponente des Pumpenlasers durch PBS reflektiert, wie in Abbildung 1f dargestellt, und rund in gegen den Uhrzeigersinn (CCW) ausgelöst. Durch ähnliche multiple Typ-0-SPDC-Prozesse und einheitliche Transformationen wird der Polarisationszustand der Ausgabe von PBS zu . Wenn der Polarisationszustand des Pumpenlasers diagonal (D) vorbereitet wurde, war die relative Phase zwischen H- und V-Komponenten des Pumpenlasers Null. Daher wird der Ausgangszustand der generierten Photonen aus CW- und CCW-Richtungen mit den gleichen Amplituden überlagert und wie:
. (6)
Der Ausgangszustand ist ein polarisationsgebundener Zustand, der als einer der Glockenzustände bekannt ist und kann mit den Polarisationsoptikelementen7in andere drei Zustände umgewandelt werden. Anhand der in (1) gezeigten Relation kann der Ausgangszustand durch diagonale Polarisationsbasen wie folgt dargestellt werden:
und durch kreisförmige Polarisationsbasen wie:
.
Der entscheidende Schritt innerhalb des Protokolls ist, wie die Genauigkeit der erzeugten Polarisation verwickeltphotonen zu maximieren. Die geschätzten Genauigkeits- und Glockenparameter sind derzeit begrenzt, vor allem, weil wir Multimode-Fasern verwendet haben, um die erzeugten verschränkten Photonen zu sammeln. Das Kippen von HWP1 wirkte sich auf den Höhenunterschied der raumbezogenen Modi zwischen den Photonen des ersten und zweiten SPDC aus und verursachte eine räumliche Diskrepanz am Ausgang des Sagnac-Interferometers. Bei Verwendung von Singlemode-Fasern, die den räumlichen Modus-überlappenden Bereich der generierten ersten und zweiten SPDC-Photonen herausfiltern, wird eine höhere Genauigkeit erwartet. Darüber hinaus wirkte sich der Birefrefringen-Effekt des ppKTP-Kristalls auf die Modus-Missverhältnis zwischen dem ersten und zweiten SPDC-Photonen aus. In Zukunft können wir die Parameter möglicherweise durch den Einsatz zusätzlicher Kompensationskristalle verbessern.
Die Bedeutung des Protokolls besteht darin, mehrere Eigenschaften gleichzeitig in Bezug auf die bestehende Methode zu realisieren. Die Quelle der Polarisation verstrickt Photonen mit dem Protokoll haben eine hohe Emissionsrate, sind degeneriert, haben eine Breitbandverteilung, und sind nach der Auswahl frei. Der charakteristische Vorteil des Protokolls beruht auf der mehrfachen Quanteninterferenz mittels eines Doppelpass-Polarisations-Sagnac-Interferometers. Das photonische System ermöglicht es, die große Erzeugungseffizienz von polarisationsverschränkten Photonen zu nutzen und degenerierte Photonenpaare in verschiedene optische Modi zu trennen, ohne dass eine Nachauswahl erforderlich ist. Das System der Hochleistungspolarisation verstricktphotonen photonen kann für neuartige photonische Quanteninformationstechnologien1,2,3,4angewendet werden.
The authors have nothing to disclose.
Diese Forschung wurde von der Research Foundation for Opto-Science and Technology, Japan, unterstützt. Wir danken Dr. Tomo Osada für die nützlichen Diskussionen.
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 |