複数の量子干渉効果に基づく無条件偏波光子を生成するための光学系を検出スキームで説明し、発生した絡み合った光子の実験忠実度を推定する。
高発光率、ブロードバンド分布、脱退化、選択後の自由を有する無条件偏波光子の高性能源を提示する。ソースのプロパティは、サニャック干渉計の往復構成を持つ複数の量子干渉効果に基づいています。量子干渉効果により、偏光絡光子の高生成効率を使用してパラメトリックダウン変換を処理し、退化したフォトンペアをポスト選択なしで異なる光学モードに分離することができます。要件。光学系の原理を説明し、実験的に忠実度とベルパラメータを測定し、また、偏光相関データの最小6組み合わせから生成された偏光絡光子を特徴付けるために使用した。実験的に得られた忠実度とベルパラメータは、古典的な局所的な相関限界を超え、無条件偏光子の生成の明確な証拠である。
光子の絡み合った状態は、量子暗号1、量子高密度符号化2、量子リピータ3、量子の新しい応用における局所リアリズムの研究に大きな関心を集めている。テレポーテーション4.自発的パラメトリックダウンコンバージョン(SPDC)は、偏光状態で絡み合ったフォトンペアを直接生成するために導入された2次非線形プロセスです。準位相マッチング技術の最近の開発により、定期的にポーインされたKTiOPO 4(ppKTP)およびLiNbO3(ppLN)は標準的な技術5となっている。これらの非線形結晶をサニャック干渉計6、7、8と組み合わせることにより、いくつかのタイプの絡み合い源が開発される。特に、タイプII SPDCによって得られた直交偏光子ペアを用いたスキームは、無条件の偏光絡光子を生成し、また、異なる光学に変性偏光絡光子ペアを分離することを可能にする選択的検出のないモード7.
対照的に、タイプ0 SPDCは、簡単なセットアップとフォトンペア9の高放出比の利点を有する。さらに、タイプ 0 SPDC で生成されたフォトン ペアは、タイプ II SPDC のフォトンよりもはるかに広い帯域幅を示します。ユニットポンプパワーあたりのフォトンペアの総生産率は、その大きな帯域幅8のために2桁高いです。相関光子ペアの帯域幅が大きいため、検出されたフォトンペア間の非常に短い偶然の一致時間が可能になります。この性質は、量子光学コヘレンス断層撮影10などのいくつかの潜在的なアプリケーションにつながり、絡み合った光子11の流束との非線形相互作用を通じて超短時間的な相関関係を達成するために、測定学量子干渉12、量子クロック同期13、時間周波数絡み合い測定14、およびマルチモード周波数絡み合い15の非常に狭いディップを用いての方法。しかしながら、通常のタイプ0 SPDCを用いたスキームでは、生成された偏光絡光子16を分離するために、条件付き検出スキーム6または波長フィルタリング8または空間モードフィルタリングが必要である。
複数の量子干渉プロセス17に基づいて、タイプ0とタイプII SPDCの両方の特性を同時に満たすスキームを実現した。光学系の詳細を説明し、実験データの最小数を使用して生成された偏光絡光子を特徴付けるパラメータを測定するために実験的に使用されました。
水平(H)と垂直(V)偏光状態のジョーンズベクトルは、と
書き込むことができます。すべての可能な純粋な偏光状態は、これら 2 つの偏光状態の一貫した重ね合ねから構築されます。たとえば、対角線(D)、対角線(A)、右円形(R)、左円形(L)ライトは、それぞれ次のように表されます。
,
, (1)
そして
,
H と V は直線偏光基と呼ばれます。D と A は対角偏光基と呼ばれます。R と L は円偏波ベースと呼ばれます。これらの純粋でまた混合された偏光の状態は、HおよびV偏光基18に基づく密度行列によって表すことができる。
スキームの動作原理を図 1 a-e に示します。レーザーは偏光ビームスプリッタ(PBS)、45o(HWP1)と22.5o(HWP2)に設定された2つの半波プレート、ppKTP結晶、およびミラーで構成される偏光サニャック干渉計に注入されます。 このセットアップを備えた偏光光学は、ポンプレーザーフィールドの波長とダウン変換された光子の両方で動作します。
ポンプレーザーのHコンポーネントは、図1aに示すようにPBSを通過し、セットアップを時計回り(CW)方向に回します。ポンプレーザーの偏光は、HWP2を介して対角線(D)状態に反転した。ここでは、ポンプレーザーのV成分はダウンコンバージョンに働き、生成された光子はタイプ0 SPDCでV偏光されます。生成されたフォトンペアのSPDC偏光状態は、次のように表すことができます。
. (2)
ダウン変換されたフォトンペアは、図1bに示すように45oに設定されたHWP1を介してH偏光され、偏光状態は次のようになります。
.(3)
ポンプレーザービームは再びppKTPに反転光子ペアを注入した。2 番目の SPDC から生成されたフォトン ペアは、図1cのように、最初の SPDC によって生成されたフォトン ペアを V 偏光と重ね合わせ、共線状の光学モードに対して重ね合わせられます。2 番目の SPDC の後のフォトン ペアの偏光状態は、次のように表されます。
(4)
1番目の SPDC と 2 番目の SPDC からのフォトン ペア間の相相です。位相は、ポンプレーザーとダウンコンバート光子との間のHWP1の材料分散によって決定され、HWP1を傾けて調整できるため、時間の変化はありません。ダウン変換されたフォトンのH(V)偏光状態は、(1)に示すようにA(D)状態に反転した。HWP2 からの出力フォトン ペアの偏光状態は、次のように表されます。
(5)
HWP1を傾けて位相を設定すると、図 1dに示すように、状態の最初の項 (5) のみが残ります。これは、偏光基数19の逆ホン・ウー・マンデル(HOM)干渉プロセスに対応する量子干渉プロセスである。HフォトンがPBSを通過し、VフォトンがPBSによって反射されるとき、PBSからの出力フォトンペアの偏光状態は、図1eに示
すように光学モード1および2のように表される。
逆に、ポンプレーザーのV成分は、図1fに示すようにPBSによって反射され、反時計回り(CCW)方向にトリップした。同様の複数のタイプ 0 SPDC プロセスと単体変換を通じて、PBS からの出力の偏光状態がになります。ポンプレーザーの偏光状態を対角(D)状態で調製した場合、ポンプレーザのH成分とV成分との相相相はゼロであった。したがって、CW 方向と CCW 方向から生成されたフォトンの出力状態は、同じ振幅で重ね合われ、次のように表されます。
. (6)
出力状態は、ベル状態の1つとして知られている偏波絡み合った状態であり、偏光光学素子7を使用して他の3つの状態に変換することができる。(1)に示す関係を使用して、出力状態は対角偏波ベースで次のように表すことができます。
と円偏波ベースによって:
.
プロトコル内の重要なステップは、生成された偏光絡光子の忠実度を最大化する方法です。推定忠実度とベルパラメータは、主にマルチモードファイバを使用して生成された絡み合ったフォトンを収集したため、現在制限されています。HWP1の傾きは、第1SPDCと第2のSPDCの光子間の空間モードの高さの違いに影響を与え、サニャック干渉計の出力に空間モードの不一致を引き起こした。生成された最初と 2 番目の SPDC フォトンの空間モードの重なり合う領域をフィルタリングするシングル モード ファイバを使用する場合、忠実度は高くなることが予想されます。さらに、ppKTP結晶の二重引着効果は、第1および第2のSPDC光子間のモード不一致に影響を与えた。将来的には、追加の補正結晶を使用してパラメータを改善できる可能性があります。
プロトコルの重要性は、既存の方法に関して複数のプロパティを同時に実現することです。プロトコルと絡み合った光子のソースは、高い放出速度を有し、退化し、ブロードバンド分布を有し、選択後は無料である。プロトコルの特徴的な利点は、ダブルパス偏光サニャック干渉計を使用した複数の量子干渉に基づいている。フォトニックシステムは、偏光絡光子の大きな生成効率を使用し、ポスト選択の要件なしで異なる光学モードに退化光子ペアを分離することを可能にします。高性能偏光絡光子のシステムは、新しいフォトニック量子情報技術1、2、3、4に適用することができる。
The authors have nothing to disclose.
本研究は、日本オプト科学技術研究財団の支援を受けています。お役に立つ議論をありがとうございました。
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 |