Describimos un sistema óptico para la generación de fotones enredados con polarización incondicional basado en múltiples efectos de interferencia cuántica con un esquema de detección para estimar la fidelidad experimental de los fotones enredados generados.
Presentamos una fuente de alto rendimiento de fotones entrelazados por polarización incondicional que tienen una alta tasa de emisiones, una distribución de banda ancha, son degenerados y sin postselección. La propiedad de la fuente se basa en el efecto de interferencia cuántica múltiple con una configuración de ida y vuelta de un interferómetro Sagnac. Los efectos de interferencia cuántica permiten utilizar la eficiencia de alta generación de los fotones enredados con polarización para procesar la conversión descendente paramétrica, y separar los pares de fotones degenerados en diferentes modos ópticos sin una selección posterior Requisito. El principio del sistema óptico fue descrito y utilizado experimentalmente para medir la fidelidad y los parámetros de Bell, y también para caracterizar los fotones con polarización generados a partir de un mínimo de seis combinaciones de datos correlacionados con polarización. La fidelidad obtenida experimentalmente y los parámetros Bell superaron el límite de correlación local clásica y son evidencia clara de la generación de fotones entrelazados con polarización incondicional.
El estado enredado de los fotones ha suscitado un considerable interés en el estudio del realismo local en la teoría cuántica y las aplicaciones novedosas de la criptografía cuántica1,la codificación cuántica densa2, el repetidor cuántico3y el cuántico teletransportación4. La conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) es un proceso no lineal de segundo orden que se ha introducido para producir directamente pares de fotones enredados en los estados de polarización. Debido al reciente desarrollo de técnicas de emparejamiento cuasi-fase, el KTiOPO 4 (ppKTP) y el LiNbO 3 (ppLN) periódicamente poled KTiOPO4 (ppKTP) y LiNbO3 (ppLN) se han convertido en una técnica estándar5. Varios tipos de fuentes de entrelazamiento se desarrollan combinando estos cristales no lineales con un interferómetro Sagnac6,7,8. En particular, el esquema con pares de fotones polarizados ortogonalmente obtenidos por SPDC tipo II permite generar fotones enredados con polarización incondicional y también pares de fotones desengizados por polarización degenerados en diferentes pares ópticos modos sin detección postselectiva7.
Por el contrario, el SPDC tipo 0 tiene la ventaja de una configuración simple y una relación de alta emisión de pares de fotones9. Además, los pares de fotones generados en SPDC tipo 0 muestran un ancho de banda mucho más amplio que los fotones del SPDC de tipo II. La tasa total de producción de par de fotones por unidad de potencia de la bomba es dos órdenes de magnitud mayor debido a su gran ancho de banda8. Un gran ancho de banda de pares de fotones correlacionados permite un tiempo de coincidencia muy corto entre los pares de fotones detectados. Esta propiedad ha dado lugar a varias aplicaciones potenciales como la tomografía de coherencia óptica cuántica10,para lograr correlaciones temporales ultracortas a través de interacciones no lineales con el flujo de fotones enredados11,metrología métodos que utilizan la inmersión muy estrecha en la interferencia cuántica12, sincronización de reloj cuántico13, medición de enredo de frecuencia de tiempo14y enredo de frecuencia multimodo15. Sin embargo, el esquema con SPDC de tipo 0 ordinario requiere esquemas de detección condicional6 o filtrado de longitud de onda8 o filtrado de modo espacial para separar los fotones enredados entrelazados por polarización generados16.
Nos dimos cuenta de un esquema que satisface las propiedades de tipo 0 y tipo II SPDC simultáneamente basado en múltiples procesos de interferencia cuántica17. Los detalles del sistema óptico fueron descritos y utilizados experimentalmente para medir los parámetros que caracterizan los fotones enredados de polarización generados utilizando un número mínimo de datos experimentales.
El vector Jones del estado de polarización horizontal (H)
y vertical (V) se puede escribir como y . Todos los estados de polarización pura posibles se construyen a partir de superposiciones coherentes de estos dos estados de polarización. Por ejemplo, la luz diagonal(D), anti-diagonal(A), circular derecha (R) y circular izquierda (L), respectivamente, están representadas por:
,
, (1)
Y
,
H y V se denominan bases de polarización rectilínea. D y A se denominan bases de polarización diagonal. R y L se denominan bases de polarización circular. Estos estados puros y también mixtos de la polarización pueden ser representados por matrices de densidad basadas en las bases de polarización H y V18.
El principio de funcionamiento del esquema se muestra en la Figura 1a-e. El láser se inyecta en un interferómetro Sagnac de polarización compuesto por un divisor de haz polarizador (PBS), dos placas de media onda establecidas en 45o (HWP1) y 22,5o (HWP2), un cristal ppKTP y espejos. La óptica de polarización con esta configuración funciona tanto para la longitud de onda del campo láser de la bomba como para los fotones convertidos hacia abajo.
El componente H del láser de la bomba pasa a través del PBS como se muestra en la Figura 1a y los viajes de ida y vuelta de la configuración en el sentido de las agujas del reloj (CW). La polarización del láser de la bomba se invirtió en el estado diagonal (D) a través de HWP2. Aquí el componente V del láser de la bomba funciona para la conversión hacia abajo, y los fotones generados son V-polarizados con tipo-0 SPDC. El estado de polarización SPDC de los pares de fotones generados se puede representar como:
. (2)
Los pares de fotones convertidos hacia abajo se polarizan H a través del HWP1 fijado a 45o como se muestra en el cuadro 1b,y el estado de polarización se convierte en:
. (3)
El rayo láser de la bomba volvió a inyectar los pares de fotones invertidos en el ppKTP. Los pares de fotones generados del segundo SPDC son v polarizados y superpuestos con los pares de fotones generados por el primer SPDC para un modo óptico colineal como se muestra en la figura 1c. El estado de polarización de los pares de fotones después del segundo SPDC se representa como:
(4)
donde está la fase relativa entre el par de fotones del primer y segundo SPDC. La fase no varía con el tiempo porque está determinada por la dispersión del material del HWP1 entre el láser de la bomba y los fotones convertidos hacia abajo, y ajustable por la inclinación de HWP1. El estado de polarización H (V) de los fotones convertidos hacia abajo se invirtió al estado A (D) como se muestra en (1). El estado de polarización del par de fotones de salida de HWP2 se representa como:
(5)
Cuando la fase se establece inclinando HWP1, sólo el primer término del estado (5) permanece como se muestra en la Figura 1d. Este es el proceso de interferencia cuántica que corresponde al proceso de interferencia inversa Hong-Ou-Mandel (HOM) de las bases de polarización19. Cuando el h-fotón pasa a través del PBS y el V-fotón es reflejado por el
PBS, el estado de polarización de los pares del fotón de salida del PBS se representa en cuanto al modo óptico1 y 2 tal y como se muestra en del cuadro 1e.
Por el contrario, el componente en V del láser de la bomba fue reflejado por PBS como se muestra en la Figura 1f y se ha disparado en sentido contrario a las agujas del reloj (CCW). A través de procesos SPDC de tipo 0 similares y transformaciones unitarias, el estado de polarización de la salida de PBS se convierte en . Cuando el estado de polarización del láser de la bomba se preparó en estado diagonal (D), la fase relativa entre los componentes H y V del láser de la bomba era cero. Por lo tanto, el estado de salida de los fotones generados de las direcciones CW y CCW se superpone con las mismas amplitudes y se representa como:
. (6)
El estado de salida es un estado enredado de polarización conocido como uno de los estados Bell y se puede convertir a otros tres estados utilizando los elementos de la óptica de polarización7. Utilizando la relación mostrada en (1), el estado de salida se puede representar mediante bases de polarización diagonal como:
y por bases de
polarización circular como: .
El paso crítico dentro del protocolo es cómo maximizar la fidelidad de los fotones enredados de polarización generados. La fidelidad estimada y los parámetros de Bell son actualmente limitados, principalmente porque utilizamos fibras multimodo para recoger los fotones enredados generados. La inclinación de HWP1 afectó a la diferencia de altura de los modos espaciales entre los fotones del primer y segundo SPDC y causó una discordancia de modo espacial en la salida del interferómetro Sagnac. Se espera que la fidelidad sea mayor cuando se utilizan fibras de modo único que filtran el área de superposición de modo espacial de los fotones SPDC primero y segundo generados. Además, el efecto de birefringencia del cristal ppKTP afectó a la discordancia de modo entre el primer y el segundo fotones SPDC. En el futuro, posiblemente podemos mejorar los parámetros mediante el uso de cristales de compensación adicionales.
La importancia del protocolo es realizar varias propiedades simultáneamente con respecto al método existente. La fuente de la polarización enredó fotones con el protocolo tienen una alta tasa de emisiones, son degenerados, tienen una distribución de banda ancha y son libres de post-selección. La ventaja característica del protocolo se basa en la interferencia cuántica múltiple utilizando un interferómetro Sagnac de polarización de doble pasada. El sistema fotónico permite utilizar la gran eficiencia de generación de fotones enredados de polarización y separar los pares de fotones degenerados en diferentes modos ópticos sin necesidad de postselección. El sistema de polarización de alto rendimiento enredado fotones se puede aplicar para nuevas tecnologías de información cuántica fotónica1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Esta investigación fue apoyada por Research Foundation for Opto-Science and Technology, Japón. Agradecemos al Dr. Tomo Osada las útiles discusiones.
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 |