Descriviamo un sistema ottico per la generazione di fotoni incondizionati con polarizzazione incondizionata basato su molteplici effetti di interferenza quantistica con uno schema di rilevamento per stimare la fedeltà sperimentale dei fotoni impigliati generati.
Vi presentiamo una fonte ad alte prestazioni di fotoni incondizionati di polarizzazione che hanno un alto tasso di emissioni, una distribuzione a banda larga, vengono degenerati e privi di postselezione. La proprietà della sorgente si basa sull’effetto di interferenza quantistica multipla con una configurazione di andata e ritorno di un interferometro Sagnac. Gli effetti di interferenza quantistica consentono di utilizzare l’efficienza di alta generazione dei fotoni impigliati dalla polarizzazione per elaborare la conversione parametrica verso il basso, e separare le coppie di fotoni degenerati in diverse modalità ottiche senza una postselezione necessità. Il principio del sistema ottico è stato descritto e utilizzato sperimentalmente per misurare i parametri di fedeltà e campana, nono per caratterizzare i fotoni generati insensibili alla polarizzazione da un minimo di sei combinazioni di dati correlati alla polarizzazione. I parametri di fedeltà e Campan ottenuti sperimentalmente hanno superato il limite di correlazione locale classico e sono una chiara prova della generazione di fotoni incondizionati di polarizzazione.
Lo stato impigliato dei fotoni ha suscitato un notevole interesse nello studio del realismo locale nella teoria quantistica e nelle nuove applicazioni della crittografia quantistica1,della codifica quantistica densa2,del ripetitore quantistico3e del quantum teletrasporto4. La conversione parametrica spontanea (SPDC) è un processo non lineare di secondo ordine che è stato introdotto per produrre direttamente coppie di fotoni impigliati negli stati di polarizzazione. A causa del recente sviluppo delle tecniche di quasi fase di corrispondenza, i periodicamente poled KTiOPO4 (ppKTP) e LiNbO3 (ppLN) sono diventati una tecnica standard5. Diversi tipi di fonti di entanglement sono sviluppati combinando questi cristalli non lineari con un interferometro Sagnac6,7,8. In particolare, lo schema con coppie di fotoni ortogonali polarizzati ottenuti da SPDC di tipo II consente di generare fotoni incondizionati con polarizzazione e anche coppie di fotoni inaresamente intrecciti di polarizzazione in diverse coppie di fotoni ottici modalità senza rilevamento post-selettivo7.
Al contrario, l’SPDC di tipo 0 ha il vantaggio di una configurazione semplice e di un rapporto di alte emissioni di coppie di fotoni9. Inoltre, le coppie di fotoni generati in SPDC di tipo 0 mostrano una larghezza di banda molto più ampia rispetto ai fotoni di tipo II SPDC. Il tasso di produzione totale di coppia di fotoni per unità di potenza pompa è di due ordini di grandezza superiore a causa della sua grande larghezza di banda8. Una grande larghezza di banda di coppie di fotoni correlate consente un tempo di coincidenza molto breve tra le coppie di fotoni rilevate. Questa proprietà ha portato a diverse potenziali applicazioni come la tomografia a coerenza ottica quantistica10, per ottenere correlazioni temporali ultrabrevi attraverso interazioni non lineari con il flusso di fotoni impigliati11, metrologia metodi che utilizzano il calo molto stretto in interferenza quantistica12, sincronizzazione orologio quantistico13, misurazione dell’entanglement frequenza temporale14, e multimodalità frequenza entanglement15. Tuttavia, lo schema con SPDC di tipo 0 ordinario richiede schemi di rilevamento condizionale6 o filtraggio a lunghezze d’onda8 o filtraggio in modalità spaziale per separare i fotoni generati con polarizzazione16.
Abbiamo realizzato uno schema che soddisfa contemporaneamente le proprietà di tipo 0 e tipo II SPDC sulla base di più processi di interferenza quantistica17. I dettagli del sistema ottico sono stati descritti e utilizzati sperimentalmente per misurare i parametri che caratterizzano i fotoni generati con polarizzazione utilizzando un numero minimo di dati sperimentali.
Lo stato di polarizzazione Jones Vector di rotazione orizzontale (H) e verticale (V) può essere scritto come e
. Tutti i possibili stati di polarizzazione pura sono costruiti da sovrapposizioni coerenti di questi due stati di polarizzazione. Ad esempio, la luce diagonale (D), anti-diagonale(A), destra-circolare(R) e a sinistra-circolare(L), sono rappresentati rispettivamente da:
,
, (1)
e
,
H e V sono chiamati basi di polarizzazione rettalineare. D e A sono chiamate basi di polarizzazione diagonale. R e L sono chiamate basi di polarizzazione circolare. Questi stati puri e anche misti della polarizzazione possono essere rappresentati da matrici di densità basate sulle basi di polarizzazione H e V18.
Il principio di funzionamento del regime è illustrato nella Figura 1a-e. Il laser viene iniettato in un interferometro Sagnac di polarizzazione composto da uno splitter a fascio polarizzante (PBS), due piastre a mezza onda impostate su 45o (HWP1) e 22,5o (HWP2), un cristallo ppKTP e specchi. L’ottica di polarizzazione con questa configurazione funziona sia per la lunghezza d’onda del campo laser della pompa che per i fotoni convertiti in basso.
Il componente H del laser a pompa passa attraverso il PBS come mostrato nella Figura 1a e viaggi di andata e ritorno l’impostazione in senso orario (CW) direzione. La polarizzazione del laser a pompa è stata invertita verso lo stato diagonale (D) attraverso HWP2. Qui il V-componente del laser pompa funziona per la down-conversione, e i fotoni generati sono V polarizzati con tipo-0 SPDC. Lo stato di polarizzazione SPDC delle coppie di fotoni generati può essere rappresentato come:
. (2)
Le coppie di fotoni convertite in basso sono Polarizzate con H-polarizzato tramite HWP1 impostato su 45o come illustrato nella Figura 1be lo stato di polarizzazione diventa:
. (3)
Il fascio laser della pompa ha nuovamente iniettato le coppie di fotoni invertiti nel ppKTP. Le coppie di fotoni generati dal secondo SPDC sono sia Polarizzati a V che sovrapposti con le coppie di fotoni generate dal primo SPDC per una modalità ottica collineare, come illustrato nella Figura 1c. Lo stato di polarizzazione delle coppie di fotoni dopo il secondo SPDC è rappresentato come:
(4)
dove è la fase relativa tra la coppia di fotoni dal primo e il secondo SPDC. La fase non varia con il tempo perché è determinata dalla dispersione del materiale dell’HWP1 tra il laser a pompa e i fotoni down-converted e regolabile inclinando HWP1. Lo stato di polarizzazione H (V) dei fotoni convertiti in basso è stato invertito nello stato A (D) come mostrato in (1). Lo stato di polarizzazione della coppia di fotoni di output da HWP2 è rappresentato come:
(5)
Quando la fase viene impostata inclinando HWP1, solo il primo termine dello stato (5) rimane come illustrato nella Figura 1d. Questo è il processo di interferenza quantistica che corrisponde al processo di interferenza inverso di Hong-Ou-Mandel (HOM) delle basi di polarizzazione19. Quando l’H-photon passa attraverso PBS e il V-foton viene riflesso da PBS, lo stato
di polarizzazione delle coppie di fotoni di output da PBS è rappresentato come per la modalità ottica1 e 2 come illustrato nella Figura 1e.
Al contrario, il componente A v del laser a pompa è stato riflesso da PBS come mostrato nella Figura 1f e rotondo inciampato in senso antiorario (CCW). Tramite processi SPDC di tipo 0 simili e trasformazioni unitarie, lo stato di polarizzazione dell’output da PBS diventa . Quando lo stato di polarizzazione del laser a pompa è stato preparato in diagonale (D), la fase relativa tra I componenti H e V del laser a pompa era zero. Pertanto, lo stato di output dei fotoni generati dalle direzioni CW e CCW viene sovrapposto con le stesse ampiezza e rappresentato come:
. (6)
Lo stato di output è uno stato di polarizzazione con effetto di polarizzazione noto come uno degli stati Bell e può essere convertito in altri tre stati utilizzando gli elementi ottici di polarizzazione7. Utilizzando la relazione mostrata in (1), lo stato di uscita può essere rappresentato da basi di polarizzazione diagonali come:
e da basi di polarizzazione circolare come:
.
Il passo critico all’interno del protocollo è come massimizzare la fedeltà dei fotoni invigliati di polarizzazione generati. I parametri di fedeltà e campana stimati sono attualmente limitati, principalmente perché abbiamo usato fibre multimodali per raccogliere i fotoni impigliati generati. L’inclinazione di HWP1 ha influenzato la differenza di altezza delle modalità spaziali tra i fotoni del primo e del secondo SPDC e ha causato una mancata corrispondenza in modalità spaziale sull’uscita dell’interferometro Sagnac. La fedeltà dovrebbe essere maggiore quando si utilizzano fibre a modalità singola che filtrano l’area di sovrapposizione della modalità spaziale del primo e del secondo fotoni SPDC generati. Inoltre, l’effetto birefringenza del cristallo ppKTP ha influenzato la mancata corrispondenza della modalità tra il primo e il secondo foton SPDC. In futuro, possiamo eventualmente migliorare i parametri utilizzando cristalli di compensazione aggiuntivi.
Il significato del protocollo è quello di realizzare diverse proprietà contemporaneamente rispetto al metodo esistente. La fonte dei fotoni impigliati della polarizzazione con il protocollo hanno un alto tasso di emissioni, sono degenerati, hanno una distribuzione a banda larga e sono post-selezione liberi. Il vantaggio caratteristico del protocollo si basa sull’interferenza quantistica multipla utilizzando un interferometro Sagnac di polarizzazione a doppio passaggio. Il sistema fotonico permette di utilizzare l’efficienza di grande generazione dei fotoni impigliati dalla polarizzazione e di separare le coppie di fotoni degenerati in diverse modalità ottiche senza necessità di postselezione. Il sistema di fotoni impigliati polarizzazione ad alte prestazioni può essere applicato a nuove tecnologie di informazione quantistica fotonica1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Questa ricerca è stata sostenuta dalla Research Foundation for Opto-Science and Technology, Giappone. Ringraziamo il dottor Tomo Osada per le discussioni utili.
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 |