Nós descrevemos um sistema ótico para a geração de fótons polarization-emaranhados incondicionais baseados em efeitos múltiplos da interferência do Quantum com um esquema da deteção para estimar a fidelidade experimental de fótons emaranhados gerados.
Apresentamos uma fonte de alto desempenho de fótons de polarização incondicional que têm uma taxa de alta emissão, uma distribuição de banda larga, são degenerados e pós-seleção livre. A propriedade da fonte é baseada no efeito múltiplo da interferência do Quantum com uma configuração da redondo-viagem de um Interferometer de Sagnac. Os efeitos de interferência quântica tornam possível usar a eficiência de alta geração dos fótons de polarização-emaranhados para processar a conversão de baixo paramétrica, e separar pares de fótons degenerados em diferentes modos ópticos sem uma pós-seleção Exigência. O princípio do sistema óptico foi descrito e utilizado experimentalmente para medir a fidelidade e os parâmetros de Bell, e também para caracterizar os fótons de polarização-emaranhados gerados de um mínimo de seis combinações de dados correlacionados à polarização. A fidelidade experimentalmente obtida e os parâmetros de Bell excederam o limite de correlação local clássico e são evidências claras da geração de fótons de polarização-emaranhados incondicionais.
O estado emaranhado de fótons atraiu interesse considerável no estudo do realismo local na teoria quântica e novas aplicações de criptografia quântica1, Quantum denso codificação2, repetidor Quantum3, e Quantum teletransporte4. A conversão paramétrica espontânea (SPDC) é um processo não linear de segunda ordem que foi introduzido para produzir diretamente pares de fótons emaranhados nos Estados de polarização. Devido ao desenvolvimento recente em técnicas quasi-Phase-combinando, o KTiOPO4 (ppktp) e o linbo3 (ppln) periodicamente poled tornaram-se uma técnica padrão5. Diversos tipos de fontes do emaranhamento são desenvolvidos combinando estes cristais não lineares com um interferômetro sagnac6,7,8. Em particular, o esquema com pares de fótons ortogonais polarizados obtidos pelo tipo-II SPDC possibilita a geração de fótons de polarização-emaranhados incondicionais e também separar os pares de fótons de polarização degenerada em diferentes óptica modos sem detecção pós-selectiva7.
Por outro lado, o tipo-0 SPDC tem a vantagem de uma configuração simples e uma relação de alta emissão de pares de fótons9. Além disso, os pares gerados do fotão no tipo-0 SPDC mostram uma largura de banda muito mais larga do que os fótons do tipo-II SPDC. A taxa total da produção do fóton-par por a potência da bomba da unidade é duas ordens da magnitude mais elevadas devido a sua largura de banda grande8. Uma grande largura de banda de pares de fótons correlacionados permite um tempo de coincidência muito curto entre os pares de fótons detectados. Esta propriedade conduziu a diversas aplicações potenciais tais como o tomography ótico10da coerência do Quantum, para conseguir correlações temporais do UltraShort com as interações não lineares com o fluxo de fótons emaranhados11, metrologia métodos usando o mergulho muito estreito na interferência quântica12, sincronização do pulso de disparo do Quantum13, medida14do emaranhamento da tempo-freqüência, e entrelaçamento da freqüência do multimodo15. No entanto, o esquema com tipo ordinário-0 SPDC requer esquemas de detecção condicional6 ou filtragem de comprimento de onda8 ou filtragem de modo espacial para separar os fótons de polarização gerado-emaranhados16.
Percebemos um esquema que satisfaz as propriedades de ambos Type-0 e Type-II SPDC simultaneamente com base em vários processos de interferência quântica17. Os detalhes do sistema óptico foram descritos e utilizados experimentalmente para mensurar os parâmetros que caracterizam os fótons de polarização gerada, utilizando-se um número mínimo de dados experimentais.
O vetor de Jones do estado horizontal (H) e vertical (V) da polarização pode ser escrito como
e. Todos os Estados de polarização pura possível são construídos a partir de superposições coerentes destes dois Estados de polarização. Por exemplo, a luz diagonal (D), anti-diagonal (A), circular à direita (R) e esquerda-circular (L), respectivamente, são representadas por:
,
, (1)
E
,
H e V são chamados de bases de polarização retilínea. D e A são chamados de bases de polarização diagonal. R e L são chamados de bases de polarização circular. Estes Estados puros e também misturados da polarização podem ser representados por matrizes da densidade baseadas nas bases do H-e do V-polarização18.
O princípio de funcionamento do esquema é mostrado na Figura 1a-e. O laser é injetado em um interferômetro de sagnac da polarização compreendido de um divisor de polarização do feixe (PBS), duas placas da meia-onda ajustadas a 45o (HWP1) e 22,5o (HWP2), um cristal de ppktp, e espelhos. O sistema ótico da polarização com esta instalação trabalha para o comprimento de onda do campo do laser da bomba e de fótons para baixo-convertidos.
O H-componente do laser da bomba passa através do PBS como mostrado na Figura 1a e os desengates redondos a instalação em sentido horário (CW). A polarização do laser da bomba foi invertida ao estado diagonal (D) com o HWP2. Aqui o V-componente do laser da bomba trabalha para para baixo-conversão, e os fótons gerados são V-polarizado com Type-0 SPDC. O estado de polarização SPDC de pares de fótons gerados pode ser representado como:
. 2
Os pares para baixo-convertidos do Photon são H-polarizado com o HWP1 ajustado a 45o como mostrado na Figura 1b, e o estado da polarização torna-se:
. 3
O feixe de laser da bomba injetou novamente os pares de fótons invertidos no ppKTP. Os pares gerados do Photon do segundo SPDC são V-polarizado e sobrepor com os pares do fóton gerados pelo primeiro SPDC para um modo ótico colineares como mostrado Figura 1C. O estado de polarização dos pares de fótons após o segundo SPDC é representado como:
4
onde está a fase relativa entre o par de fótons do primeiro e segundo SPDC. A fase não varia com o tempo porque é determinada pela dispersão material HWP1’s entre o laser da bomba e os fótons para baixo-convertidos, e ajustável inclinando HWP1. O estado de polarização H (V) dos fótons convertidos para baixo foi invertido para o estado a (D) como mostrado em (1). O estado de polarização do par de fóton de saída de HWP2 é representado como:
5
Quando a fase é ajustada inclinando-se HWP1, somente o primeiro termo do estado (5) permanece como mostrado na Figura 1D. Este é o processo de interferência quântica que corresponde ao processo de interferência reverso de Hong-ou-Mandel (HOM) das bases de polarização19. Quando o H-Photon passa através de PBS e o V-Photon é refletido por PBS, o estado da polarização dos pares do Photon da saída de PBS é
representado como para o mode1 ótico e 2 como mostrado na Figura 1e.
Inversamente, o V-componente do laser da bomba foi refletido por PBS como mostrado na Figura 1F e redondo tropeçou em uma direção anti-horário (CCW). Com os processos múltiplos similares do SPDC do tipo-0 e as transformações unitárias, o estado da polarização da saída de PBS torna-se. Quando o estado de polarização do laser da bomba foi preparado no estado diagonal (D), a fase relativa entre H-e V-componentes do laser da bomba era zero. Portanto, o estado de saída dos fótons gerados das direções CW e CCW são sobrepostos com as mesmas amplitudes e representados como:
. 6
O estado de saída é um estado emaranhado de polarização conhecido como um dos Estados Bell e pode ser convertido em outros três Estados usando os elementos de óptica de polarização7. Utilizando a relação mostrada em (1), o estado de saída pode ser representado por bases de polarização diagonal como:
e por bases circulares da polarização como:
.
O passo crítico dentro do protocolo é como maximizar a fidelidade dos fótons emaranhados de polarização gerada. A fidelidade estimada e os parâmetros de Bell são limitados atualmente, principalmente porque nós usamos fibras multimodo para coletar os fótons emaranhados gerados. A inclinação de HWP1 afetou a diferença da altura dos modos espaciais entre os fótons do primeiro e segundo SPDC e causou uma incompatibilidade de modo espacial na saída do interferometer de Sagnac. Espera-se que a fidelidade seja maior ao usar fibras de modo único que filtram a área de sobreposição de modo espacial do primeiro e segundo fótons SPDC gerados. Além disso, o efeito de birefringência do cristal ppKTP afetou a incompatibilidade de modo entre o primeiro e o segundo fótons de SPDC. No futuro, nós podemos possivelmente melhorar os parâmetros usando cristais adicionais da compensação.
O significado do protocolo é realizar várias propriedades simultaneamente em relação ao método existente. A fonte dos fótons emaranhados de polarização com o protocolo tem uma taxa de alta emissão, são degenerados, têm uma distribuição de banda larga, e são pós-seleção livre. A vantagem característica do protocolo é baseada na interferência quântica múltipla usando um interferómetro Sagnac da polarização da dobro-passagem. O sistema fotônico torna possível usar a eficiência de grande geração de fótons emaranhados de polarização e separar pares de fótons degenerados em diferentes modos ópticos sem necessidade de postselection. O sistema de polarização de alto desempenho emaranhados de fótons pode ser aplicado para novas tecnologias de informação quântica fotônicos1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Esta pesquisa foi apoiada pela Fundação de pesquisa para opto-ciência e tecnologia, Japão. Agradecemos ao Dr. tomo Osada pelas discussões úteis.
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 |