हम उत्पन्न उलझा फोटॉनों के प्रयोगात्मक निष्ठा का अनुमान लगाने के लिए एक पहचान योजना के साथ कई क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव के आधार पर बिना शर्त ध्रुवीकरण-उलझाफोटफोटफोटों की पीढ़ी के लिए एक ऑप्टिकल प्रणाली का वर्णन.
हम बिना शर्त ध्रुवीकरण के एक उच्च प्रदर्शन स्रोत प्रस्तुत-एक उच्च उत्सर्जन दर है कि फोटॉनों, एक ब्रॉडबैंड वितरण, अपभ्रष्ट और पदों के चुनाव मुक्त कर रहे हैं. स्रोत की संपत्ति एक Sagnac इंटरफेरोमीटर के एक दौर ट्रिप विन्यास के साथ कई क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव पर आधारित है. क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव यह संभव ध्रुवीकरण-उलझाफोटफोटफोटों की उच्च पीढ़ी दक्षता का उपयोग करने के लिए पैरामीट्रिक नीचे रूपांतरण प्रक्रिया करने के लिए, और अलग अपभ्रष्ट फोटॉन जोड़े एक पद के बिना अलग अलग मोड में प्रकाश डाला आवश्यकता. ऑप्टिकल प्रणाली के सिद्धांत का वर्णन किया गया था और प्रयोगात्मक निष्ठा और बेल मापदंडों को मापने के लिए इस्तेमाल किया, और भी उत्पन्न ध्रुवीकरण से जुड़े फोटॉनों की विशेषता के लिए ध्रुवीकरण सहसंबद्ध डेटा के छह संयोजनों की एक न्यूनतम से. प्रयोगात्मक प्राप्त निष्ठा और बेल पैरामीटर शास्त्रीय स्थानीय सहसंबंध सीमा से अधिक है और बिना शर्त ध्रुवीकरण-उलझन फोटॉनों की पीढ़ी के स्पष्ट सबूत हैं.
फोटॉनों की उलझाई हुई अवस्था ने क्वांटम सिद्धांत और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी के उपन्यास अनुप्रयोगों में स्थानीय यथार्थवाद के अध्ययन में काफी रुचि दिखाई है1, क्वांटम सघन कोडन2, क्वांटम पुनरावर्तक3, और क्वांटम टेलीपोर्टेशन4| सहज पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण (एसपीडीसी) एक द्वितीय-क्रम nonlinear प्रक्रिया है कि सीधे ध्रुवीकरण राज्यों में उलझा फोटॉन जोड़े का उत्पादन करने के लिए पेश किया गया है. अर्ध चरण मिलान तकनीकों में हाल ही में विकास के कारण, समय-समय पर poled KTiOPO4 (ppKTP) और Linbo3 (ppLN) एक मानक तकनीक बन गए हैं5. इन अरैखिक क्रिस्टलों को सग्नेक इंटरफेरोमीटर6,7,8के साथ मिलाकर अनेक प्रकार के उलझाव स्रोत विकसित किए जाते हैं . विशेष रूप से, प्रकार-II SPDC द्वारा प्राप्त orthogonally polarized फोटॉन जोड़े के साथ योजना यह संभव बिना शर्त ध्रुवीकरण-उलझन फोटॉन ों उत्पन्न करने के लिए और भी अलग अपभ्रष् ट ध्रुवीकरण-उलझा हुआ फोटॉन जोड़े अलग ऑप्टिकल में बनाता है पोस्टselective पता लगाने के बिना मोड7|
इसके विपरीत, टाइप-0 SPDC एक साधारण सेटअप का लाभ और फोटॉन जोड़े 9 के एक उच्च उत्सर्जन अनुपातहै. इसके अलावा, टाइप-0 SPDC में उत्पन्न फोटॉन जोड़े टाइप-II एसपीडीसी के फोटॉनों की तुलना में बहुत व्यापक बैंडविड्थ दिखाते हैं। प्रति यूनिट पंप पावर की कुल फोटॉन-जोड़ी उत्पादन दर इसकी बड़ी बैंडविड्थ8के कारण परिमाण के दो ऑर्डर अधिक है। सहसंबद्ध फोटॉन जोड़े का एक बड़ा बैंडविड्थ का पता चला फोटॉन जोड़े के बीच एक बहुत ही कम संयोग समय की अनुमति देता है. इस संपत्ति क्वांटम ऑप्टिकल सामंजस्य टोमोग्राफी10के रूप में कई संभावित अनुप्रयोगों के लिए नेतृत्व किया गया है , उलझा फोटॉनों के प्रवाह के साथ nonlinear बातचीत के माध्यम से अल्ट्राशॉर्ट अस्थायी सहसंबंध प्राप्त करने के लिए11, मेट्रोलॉजी क्वांटम हस्तक्षेप में बहुत संकीर्ण डुबकी का उपयोग करने के तरीके12, क्वांटम घड़ी तुल्यकालन13, समय आवृत्ति उलझन माप14, और multimode आवृत्ति उलझन15. हालांकि, साधारण प्रकार-0 SPDC के साथ योजना सशर्त पता लगाने योजनाओं6 या तरंगदैर्ध्य फ़िल्टरिंग8 या स्थानिक मोड फ़िल्टरिंग उत्पन्न ध्रुवीकरण-उलझन फोटॉनों16अलग करने के लिए की आवश्यकता है।
हमने एक ऐसी योजना का एहसास किया जो टाइप-0 और टाइप-II एसपीडीसी दोनों के गुणों को एक साथ एकाधिक क्वांटम हस्तक्षेप प्रक्रियाओं17के आधार पर संजोती है। ऑप्टिकल प्रणाली के विवरण का वर्णन किया गया और प्रयोगात्मक प्रयोगात्मक डेटा की एक न्यूनतम संख्या का उपयोग कर उत्पन्न ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों की विशेषता है कि मानकों को मापने के लिए इस्तेमाल किया.
क्षैतिज (एच) और ऊर्ध्वाधर (V) ध्रुवण राज्य के
जोन्स वेक्टर के रूप में लिखा जा सकता है और . सभी संभव शुद्ध ध्रुवीकरण राज्यों इन दो ध्रुवीकरण राज्यों के सुसंगत अध्यारोपण से निर्माण कर रहे हैं. उदाहरण के लिए, विकर्ण (D), एंटी-डिगोनल(A), दाएँ-वृत्तीय(R), और बाएँ-वृत्तीय(L) प्रकाश, क्रमशः, द्वारा प्रस्तुत किए जाते हैं:
,
, (1)
और
,
ज तथा ट को सरलरेखीय ध्रुवण आधार कहते हैं। D और A को विकर्ण ध्रुवण आधार कहते हैं। त तथा ल् को वृत्ताकार ध्रुवण क्षारक कहते हैं। ध्रुवण के इन शुद्ध तथा मिश्रित अवस्थाओं को एच- तथा ट-ध्रुवणआधारों 18के आधार पर घनत्व मैट्रिक्स द्वारा निरूपित किया जा सकता है।
योजना का प्रचालन सिद्धांत चित्र 1ए-ईमें दर्शाया गया है। लेजर एक ध्रुवीकरण Sagnac इंटरफेरोमीटर में एक polarizing बीम विभाजक (पीबीएस), दो आधा लहर प्लेटें 45ओ (HWP1) और 22.5o (HWP2), एक ppKTP क्रिस्टल, और दर्पण के लिए सेट के शामिल में इंजेक्ट किया जाता है. पंप लेजर क्षेत्र और नीचे परिवर्तित फोटॉनों के दोनों तरंगदैर्ध्य के लिए इस सेटअप काम के साथ ध्रुवीकरण प्रकाशिकी.
पंप लेजर के एच घटक PBS के माध्यम से गुजरता है के रूप में चित्र 1a में दिखाया गया है और दौर यात्राएं एक दक्षिणावर्त (CW) दिशा में सेटअप. पंप लेजर के ध्रुवीकरण HWP2 के माध्यम से विकर्ण (डी) राज्य के लिए उलटा था. यहाँ पंप लेजर के वी घटक नीचे रूपांतरण के लिए काम करता है, और उत्पन्न फोटॉनों वी प्रकार-0 SPDC के साथ polarized हैं. उत्पन्न फोटॉन युग्मों की SPDC ध्रुवण स्थिति को इस रूप में प्रस्तुत किया जा सकता है:
. (2)
नीचे परिवर्तित फोटॉन जोड़े H-polarized HWP1 सेट के माध्यम से 45o करने के लिए चित्र 1bमें दिखाया गया है, और ध्रुवीकरण राज्य हो जाता है:
. (3)
पंप लेजर बीम फिर से ppKTP में उल्टे फोटॉन जोड़े इंजेक्शन. दूसरे SPDC से उत्पन्न फोटॉन युग्मों को वी-ध्रुवित तथा पहले एसपीडीसी द्वारा एक collinear ऑप्टिकल मोड के लिए उत्पन्न फोटॉन युग्मों के साथ प्रस्तुत किया गया है जैसा कि चित्र 1cदिखाया गया है। दूसरे SPDC के बाद फोटॉन युग्मों की ध्रुवण स्थिति के रूप में प्रतिनिधित्व किया है:
(4)
जहां पहले और दूसरे SPDC से फोटॉन जोड़ी के बीच रिश्तेदार चरण है. चरण समय के साथ भिन्न नहीं है क्योंकि यह पंप लेजर और नीचे परिवर्तित फोटॉनों के बीच HWP1 सामग्री फैलाव द्वारा निर्धारित किया जाता है, और HWP1 झुकाव द्वारा समायोज्य. नीचे परिवर्तित फोटॉनों के एच (वी) ध्रुवण अवस्था (1) में दर्शाए अनुसार A (D) अवस्था में उलटा किया गया था। HWP2 से उत्पादन फोटॉन जोड़ी के ध्रुवीकरण की स्थिति के रूप में प्रतिनिधित्व किया है:
(5)
जब चरण HWP1 को झुकाकर निर्धारित किया जाता है, तो राज्य का केवल प्रथम शब् द (5) ही चित्र 1दमें दर्शाया गया है। यह क्वांटम हस्तक्षेप प्रक्रिया है जो ध्रुवीकरणआधारों 19के रिवर्स होंग-ओउ-मंडेल (एचओम) हस्तक्षेप प्रक्रिया से मेल खाती है। जब एच-फोटोन पीबीएस से होकर गुजरता है और वी-फोटॉन पीबीएस द्वारा परिलक्षित होता है, तो
पीबीएस से आउटपुट फोटॉन युग्मों की ध्रुवण अवस्था को ऑप्टिकल मोड1 और 2 के रूप में दर्शाया जाता है जैसा कि चित्र 1eमें दिखाया गया है।
इसके विपरीत, पंप लेजर के वी घटक PBS द्वारा परिलक्षित के रूप में चित्र 1f में दिखाया गया था और गोल एक काउंटर दक्षिणावर्त (CCW) दिशा में फिसल गया. इसी प्रकार एकाधिक प्रकार-0 SPDC प्रक्रियाओं और एकात्मक रूपांतरणों के माध्यम से पीबीएस से निर्गत की ध्रुवण अवस्था बन जाती है। जब पंप लेजर के ध्रुवीकरण राज्य विकर्ण (डी) राज्य में तैयार किया गया था, एच के बीच सापेक्ष चरण और वी पंप लेजर के घटक शून्य था. इसलिए, CW और CCW दिशाओं से उत्पन्न फोटॉनों की आउटपुट स्थिति एक ही आयाम के साथ superposed और के रूप में प्रतिनिधित्व कर रहे हैं:
. (6)
निर्गत अवस्था एक ध्रुवण-संवद्ित अवस्था है जिसे बेल अवस्थाओं में से एक कहा जाता है और इसे ध्रुवण प्रकाशिकी तत्वों7का उपयोग करके अन्य तीन राज्यों में परिवर्तित किया जा सकता है। में दिखाए गए संबंध का उपयोग करते हुए (1), आउटपुट अवस्था विकर्ण ध्रुवण आधारों द्वारा इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:
और परिपत्र ध्रुवीकरण आधार
ों के रूप में: .
प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम है कैसे उत्पन्न ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों की निष्ठा को अधिकतम करने के लिए. अनुमानित निष्ठा और बेल मापदंडों वर्तमान में सीमित कर रहे हैं, मुख्य रूप से क्योंकि हम उत्पन्न उलझा फोटॉनों इकट्ठा करने के लिए multimode फाइबर का इस्तेमाल किया. HWP1 के झुकाव पहले और दूसरे SPDC के फोटॉनों के बीच स्थानिक मोड की ऊंचाई अंतर प्रभावित और Sagnac इंटरफेरोमीटर के उत्पादन पर एक स्थानिक मोड बेमेल का कारण बना. निष्ठा अधिक होने की उम्मीद है जब एकल मोड फाइबर का उपयोग कर कि उत्पन्न पहली और दूसरी SPDC फोटॉनों के स्थानिक मोड overlapping क्षेत्र बाहर फिल्टर. इसके अलावा, ppKTP क्रिस्टल के birefringence प्रभाव पहले और दूसरे SPDC फोटॉनों के बीच मोड बेमेल प्रभावित. भविष्य में, हम संभवतः अतिरिक्त मुआवजा क्रिस्टल का उपयोग करके मानकों में सुधार कर सकते हैं.
प्रोटोकॉल के महत्व के लिए मौजूदा विधि के संबंध में एक साथ कई गुणों का एहसास है. प्रोटोकॉल के साथ उलझा ध्रुवीकरण फोटॉनों के स्रोत एक उच्च उत्सर्जन दर है, अपभ्रष्ट कर रहे हैं, एक ब्रॉडबैंड वितरण किया है, और बाद चयन मुक्त कर रहे हैं. प्रोटोकॉल की विशेषता लाभ एक डबल पास ध्रुवीकरण Sagnac इंटरफेरोमीटर का उपयोग कर कई क्वांटम हस्तक्षेप पर आधारित है. फोटोनिक प्रणाली यह संभव ध्रुवीकरण उलझा फोटॉनों की बड़ी पीढ़ी दक्षता का उपयोग करने के लिए और पदों की कोई आवश्यकता के साथ अलग ऑप्टिकल मोड में अपभ्रष्ट फोटॉन जोड़े अलग करने के लिए बनाता है. उच्च निष्पादन ध्रुवण की प्रणाली उलझा फोटॉनों उपन्यास photonic क्वांटम सूचना प्रौद्योगिकियों1,2,3,4के लिए लागू किया जा सकता है.
The authors have nothing to disclose.
इस शोध Opto विज्ञान और प्रौद्योगिकी, जापान के लिए अनुसंधान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था. हम उपयोगी चर्चा के लिए डा टोमो ओसाडा को धन्यवाद देते हैं।
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 |