Oluşturulan dolaşık fotonların deneysel sadakatini tahmin etmek için bir algılama şeması ile birden fazla kuantum girişim etkilerine dayanan koşulsuz polarizasyon-dolaşık fotonların üretimi için bir optik sistem tanımlıyoruz.
Biz yüksek emisyon oranı, geniş bant dağılımı, dejenere ve postselection ücretsiz olan koşulsuz kutuplaşma-dolaşık fotonların yüksek performanslı bir kaynak sıyoruz. Kaynağın özelliği, sagnac interferometrenin gidiş-dönüş konfigürasyonu ile çoklu kuantum girişim etkisine dayanır. Kuantum girişim efektleri, polarizasyona bulaşmış fotonların yüksek nesil verimliliğini kullanarak parametrik aşağı dönüştürmeyi ve dejenere foton çiftlerini postselection olmadan farklı optik modlara ayırmayı mümkün kılar. Gereksinim. Optik sistemin prensibi tanımlanmış ve deneysel sadakat ve Bell parametrelerini ölçmek için kullanılan, ve aynı zamanda polarizasyon ilişkili veri altı kombinasyonları en az oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonları karakterize etmek için. Deneysel olarak elde edilen sadakat ve Çan parametreleri klasik yerel korelasyon limitini aşmıştır ve koşulsuz polarizasyon adabına dayalı fotonların neslinin açık bir kanıtıdır.
Fotonların dolaşmış durumu kuantum teorisi ve kuantum şifreleme1yeni uygulamalarda yerel gerçekçilik çalışmada önemli ilgi çekti , kuantum yoğun kodlama2, kuantum tekrarlayıcı3, ve kuantum Işınlanma4. Spontan parametrik aşağı dönüştürme (SPDC), kutuplaşma durumlarında dolaşmış foton çiftleri üretmek için doğrudan getirilen ikinci dereceden doğrusal olmayan bir işlemdir. Yarı faz eşleştirme tekniklerinde son gelişme nedeniyle, periyodik olarak poled KTiOPO4 (ppKTP) ve LiNbO3 (ppLN) standart bir teknik haline gelmiştir5. Dolaşıklık kaynaklarının çeşitli bir Sagnac interferometer6,7,8ile bu doğrusal olmayan kristaller birleştirerek geliştirilmiştir. Özellikle tip-II SPDC tarafından elde edilen ortogonal polarize foton çiftleri ile şema, koşulsuz polarizasyon-dolaşık fotonlar ve aynı zamanda ayrı dejenere polarizasyon-dolaşık foton çiftleri farklı optik oluşturmak mümkün kılar postselektifalgılama7 olmadan modları .
Buna karşılık, tip-0 SPDC basit bir kurulum ve foton çiftleri yüksek emisyon oranı avantajı vardır9. Ayrıca, type-0 SPDC’de oluşturulan foton çiftleri, tip-II SPDC’nin fotonlarına göre çok daha geniş bir bant genişliği gösterir. Birim pompa gücü başına toplam foton çifti üretim hızı, geniş bant genişliği8nedeniyle daha yüksek iki sipariştir. Korelasyon foton çiftleri geniş bir bant genişliği tespit foton çiftleri arasında çok kısa bir tesadüf süresi sağlar. Bu özellik kuantum optik koherens tomografi10gibi çeşitli potansiyel uygulamalara yol açmıştır , dolaşık fotonların akısı ile doğrusal olmayan etkileşimler yoluyla ultrakısa zamansal korelasyonlar elde etmek için11, metroloji kuantum girişim12çok dar daldırma kullanarak yöntemleri , kuantum saat senkronizasyonu13, zaman frekans dolaşıklık ölçümü14, ve çok modlu frekans dolaşıklık15. Ancak, sıradan tip-0 SPDC ile şema koşullu algılama şemaları6 veya dalga boyu filtrelemegerektirir 8 veya mekansal mod filtreleme oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonlar ayırmak için16.
Aynı anda birden fazla kuantum girişim sürecine dayalı tip-0 ve tip-II SPDC özelliklerini tatmin eden bir şema gerçekleştirdik17. Optik sistemin ayrıntıları tanımlanmış ve deneysel olarak oluşturulan polarizasyon-dolaşık fotonları en az sayıda deneysel veri kullanarak karakterize parametreleri ölçmek için kullanılmıştır.
Yatay (H) ve dikey (V) kutuplaşma durumunun Jones
Vektörü olarak ve . Tüm olası saf kutuplaşma durumları bu iki kutuplaşma devletinin tutarlı süper konumlarından inşa edilmiştir. Örneğin, sırasıyla diyagonal(D), anti-diyagonal(A), sağ-dairesel(R) ve sol dairesel (L) ışığı aşağıdakiler tarafından temsil edilir:
,
, (1)
Ve
,
H ve V doğrusal polarizasyon bazları olarak adlandırılır. D ve A diyagonal polarizasyon üsleri olarak adlandırılır. R ve L dairesel polarizasyon üsleri olarak adlandırılır. Kutuplaşmanın bu saf ve karışık durumları, H- ve V-polarizasyon bazlarına dayalı yoğunluk matrisleri ile temsil edilebilir18.
Şemanın çalışma prensibi Şekil 1a-e’degösterilmiştir. Lazer bir polarizasyon Sagnac interferometre içine enjekte bir polarize ışın ayırıcı (PBS), iki yarım dalga plakaları 45o (HWP1) ve 22.5o (HWP2), bir ppKTP kristal ve aynalar ayarlanmış oluşur. Bu kurulum ile polarizasyon optik pompa lazer alanı ve aşağı dönüştürülmüş fotonların dalga boyu için hem de çalışır.
Pompa lazerinin H-bileşeni Şekil 1a’da gösterildiği gibi PBS’den geçer ve kurulum saat yönünde (CW) yönde turlar. Pompa lazerpolarizasyonu HWP2 ile diyagonal (D) durumuna ters oldu. Burada pompa lazer V-bileşeni aşağı dönüşüm için çalışır, ve oluşturulan fotonlar tip-0 SPDC ile V-polarize. Oluşturulan foton çiftleri SPDC polarizasyon durumu olarak temsil edilebilir:
. (2)
Aşağı dönüştürülmüş foton çiftleri Şekil 1b’degösterildiğigibi HWP1 kümesi ile H-polarize edilir ve polarizasyon durumu şu şekilde olur:
. (3)
Pompa lazer ışını tekrar ppKTP içine ters foton çiftleri enjekte. İkinci SPDC oluşturulan foton çiftleri hem V-polarize ve şekil 1cgösterildiği gibi bir collinear optik modu için ilk SPDC tarafından oluşturulan foton çiftleri ile superposed . İkinci SPDC’den sonra foton çiftlerinin polarizasyon durumu şu şekilde temsil edilir:
(4)
birinci ve ikinci SPDC’den foton çifti arasındaki göreli faz nerededir. Pompa lazer ve aşağı dönüştürülmüş fotonlar arasında HWP1 malzeme dağılımı tarafından belirlenir ve HWP1 yatırarak ayarlanabilir, çünkü faz zamana göre değişmez. Aşağı dönüştürülmüş fotonların H (V)-polarizasyon durumu (1)’de gösterildiği gibi A (D) durumuna ters çevrilmiştir. HWP2 çıkış foton çiftinin polarizasyon durumu şu şekilde temsil edilir:
(5)
Faz HWP1 yatırılarak ayarlandığında, yalnızca ilk dönem (5) Şekil 1d’degösterildiği gibi kalır. Bu kutuplaşmaüsleri19ters Hong-Ou-Mandel (HOM) girişim sürecine karşılık gelen kuantum girişim sürecidir. H-foton PBS’den geçtiğinde ve V-fotonu PBS tarafından yansıtıldığında, PBS’den çıkış foton çiftlerinin
polarizasyon durumu Şekil 1e’degösterildiği gibi optik mod1 ve 2 için temsil edilir.
Tersine, pompa lazerIn V bileşeni Şekil 1f’de gösterildiği gibi PBS tarafından yansıtılmış ve saat yönünün tersine (CCW) yönde tökezlenmiştir. Benzer çoklu tip-0 SPDC süreçleri ve üniter dönüşümler sayesinde, PBS çıktısının polarizasyon durumu . Pompa lazerinin polarizasyon durumu diyagonal (D) durumunda hazırlandığında, pompa lazerinIn H- ve V-bileşenleri arasındaki göreli faz sıfırdı. Bu nedenle, CW ve CCW yönlerden oluşturulan fotonların çıkış durumu aynı genliklerle üstlenir ve şu şekilde temsil edilir:
. (6)
Çıkış durumu, Bell durumlarından biri olarak bilinen kutuplaşma-dolaşık bir durumdur ve polarizasyon optikelemanları7 kullanılarak diğer üç duruma dönüştürülebilir. (1)’de gösterilen ilişki kullanılarak, çıkış durumu diyagonal polarizasyon tabanları ile temsil edilebilir:
ve dairesel polarizasyon üsleri
ile: .
Protokol içindeki kritik adım, oluşturulan kutuplaşma dolaşmış fotonların sadakatini nasıl en üst düzeye çıkarılabilmektir. Tahmini sadakat ve Bell parametreleri şu anda sınırlıdır, çünkü biz oluşturulan dolaşmış fotonları toplamak için çok modlu lifler kullanılır. HWP1’in eğimi, birinci ve ikinci SPDC’nin fotonları arasındaki uzamsal modların yükseklik farkını etkiledi ve Sagnac interferometrenin çıkışında uzamsal mod uyuşmazlığı yarattı. Oluşturulan birinci ve ikinci SPDC fotonlarının uzamsal mod-çakışan alanını filtreleyen tek modlu lifler kullanırken doğruluğun daha yüksek olması beklenir. Ayrıca, ppKTP kristalinin birefringence etkisi birinci ve ikinci SPDC fotonlar arasındaki mod uyuşmazlığı etkiledi. Gelecekte, muhtemelen ek kompanzasyon kristalleri kullanarak parametreleri artırabilir.
Protokolün önemi, varolan yönteme göre aynı anda çeşitli özellikleri gerçekleştirmektir. Protokol ile kutuplaşma dolaşmış fotonların kaynağı yüksek emisyon oranına sahiptir, dejenere dir, geniş bant dağılımına sahiptir ve seçim sonrası ücretsizdir. Protokolün karakteristik avantajı, çift geçişli polarizasyon Sagnac interferometresi kullanılarak çoklu kuantum girişimine dayanır. Fotonik sistem, polarizasyon dolaşmış fotonların büyük nesil verimliliğini kullanmayı ve dejenere foton çiftlerini postselection şartı olmadan farklı optik modlara ayırmayı mümkün kılar. Yüksek performanslı polarizasyon dolaşık fotonsistemi yeni fotonik kuantum bilgi teknolojileri1,2,3,4için uygulanabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu araştırma Opto-Bilim ve Teknoloji Araştırma Vakfı, Japonya tarafından desteklenmiştir. Faydalı tartışmalar için Dr. Tomo Osada’ya teşekkür ederiz.
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 |