Quantum State Engineering of Light met Continuous-wave optische parametrische oscillatoren
Summary
We beschrijven de betrouwbare generatie van niet-normale toestanden van reizen optische gebieden, waaronder single-photon staten en coherente staat superposities, met behulp van een voorwaardelijke bereidingswijze actief op de niet-klassieke uitgestraalde licht door optische parametrische oscillatoren. Type-I en type-II-fase afgestemd oscillatoren worden beschouwd en gemeenschappelijke procedures, zoals de vereiste frequentie filteren of de high-efficiency quantum state karakterisering door homodyning, zijn gedetailleerd.
Abstract
Engineering van niet-klassieke toestanden van het elektromagnetisch veld is een centrale zoektocht naar quantumoptica 1,2. Naast hun fundamentele betekenis, dergelijke staten zijn inderdaad de middelen voor de uitvoering van diverse protocollen, variërend van verbeterde metrologie tot quantum communicatie en informatica. Verschillende apparaten kunnen worden gebruikt om niet-klassieke toestanden, zoals alleenstaande emitters, licht materiaal interfaces of niet-lineaire systemen 3 genereren. We richten ons hier op het gebruik van een continuous-wave optische parametrische oscillator 3,4. Dit systeem is gebaseerd op een niet-lineaire χ 2 kristal geplaatst in een optische holte en het is nu bekend als een zeer efficiënte bron van niet-klassieke licht, zoals single-modus of bimodale geperst vacuüm afhankelijk van het kristal phase matching.
Geperst vacuüm is een Gauss staat als de kwadratuur distributies volgen een Gauss-statistiek. Er is echter aangetoond dat aantal protocollen vereisen niet GausSian stelt 5. Direct het genereren van dergelijke staten is een moeilijke taak en zou sterk χ 3 niet-lineariteiten vereisen. Een andere procedure, probabilistische maar aangekondigd, bestaat uit het gebruik van een-meting geïnduceerde niet-lineariteit via een voorwaardelijke voorbereiding techniek geopereerd Gauss staten. Hier hebben we detail deze generatie protocol voor twee niet-normale staten, de single-foton staat en een superpositie van coherente toestanden, met behulp van twee verschillend fasen afgestemd parametrische oscillatoren als primaire hulpbronnen. Deze techniek maakt het mogelijk bereiken van een high fidelity met de beoogde toestand en de generatie van de staat in een goed gecontroleerde spatiotemporele modus.
Introduction
De mogelijkheid om de quantum toestand van het reizen optische velden ingenieur is een centrale eis voor quantum informatie wetenschap en technologie 1, met inbegrip van quantum communicatie, informatica en metrologie. Hier bespreken we de bereiding en karakterisering van een aantal specifieke quantummechanische toestanden gebruiken als primaire bron het licht dat door continuous-wave optische parametrische oscillatoren 3,4 onder de drempel bediend. Concreet zullen twee systemen worden beschouwd – een type II-fase afgestemd OPO en een type-I OPO – waardoor respectievelijk de betrouwbare generatie van aangekondigde single-fotonen en optische coherente staat superposities (CSS), dwz staten van het formulier | α > – |-α>. Deze staten zijn belangrijke middelen voor de uitvoering van een groot aantal quantum informatie protocollen, variërend van lineaire optische kwantumrekenen 6 tot optische hybride protocollen 5,7. Aanzienlijk, de methode p hier kwalijk maakt het verkrijgen van een lage vermenging van vacuüm en de emissie in een goed gecontroleerde spatiotemporele modus.
Algemeen kan kwantumtoestanden worden geclassificeerd als Gaussian staten en niet-normale toestanden volgens de vorm van de quasi-kansverdeling in faseruimte genoemd Wigner functie W (x, p) 8. Voor niet-normale toestanden, kan het Wigner functie negatieve waarden nemen, een sterke signatuur van niet-classicality. Single-foton of coherente toestand superposities zijn inderdaad niet-normale toestanden.
Een efficiënte procedure voor het genereren van dergelijke toestanden is bekend als de voorwaardelijke bereidingstechniek, wanneer een eerste Gauss bron wordt gecombineerd met een zogenaamde niet-normale meting zoals de fotontellende 9,10,11,12,13. Deze algemene regeling, probabilistische maar aangekondigd, wordt geschetst op figuur 1a.
"Fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg "/>
Figuur 1. (A) Conceptuele regeling van de voorwaardelijke voorbereiding techniek. (B) Voorwaardelijke voorbereiding van single-photon state van orthogonaal gepolariseerde fotonparen (type-II OPO) gescheiden op een polariserende beam splitter. (C) voorwaardelijke voorbereiding van een coherente superpositie toestand door het aftrekken van een enkel-foton uit een geperst vacuüm toestand (type-I OPO).
Door het meten van een wijze van een bipartiete verstrengelde toestand, wordt de andere modus geprojecteerd in een staat die zal afhangen van deze meting en op de eerste verstrikt resource 12,13.
Wat zijn de vereiste middelen en de verkondiging detector nodig is om de genoemde staten te genereren? Single-foton staten kan worden gegenereerd met behulp van twee stralen, dwz foton-nummer gecorreleerd balken. De detectie van een p-Hoton op een wijze luidt dan het genereren van een enkel-foton anderzijds modus 9,10,14,15. Een frequentie-gedegenereerde type II OPO 16,17,18,19 inderdaad een zeer geschikt bron daarvoor. Signaal en rondsel fotonen foton-nummer gecorreleerd en uitgestoten met orthogonale polarisaties. Detecteren een-foton op een polarisatie-modus projecteert de andere in een enkele-foton toestand, zoals getoond in figuur 1b.
Wat coherente superpositie staat, kunnen ze worden gegenereerd door het aftrekken van een enkele-foton uit geperst vacuüm toestand 20 verkregen door gepulste single-pass parametrische neerwaartse conversie 11,21 of een type I OPO 22,23. Het aftrekken wordt uitgevoerd door een kleine fractie van het licht tikken op een bundelsplitser en het detecteren van een enkel-foton in deze stand (figuur 1c). Een geperst vacuüm is een superpositie van zelfs foton-nummer staten, dus aftrekken van een single-photon leadseen superpositie van oneven foton-nummer staten, die een high fidelity met een lineaire superpositie van twee coherente toestanden van gelijke en kleine amplitude heeft. Om deze reden heeft de naam 'Schrödinger kitten' soms gegeven aan deze toestand.
De algemene procedure voor het genereren van deze gebieden is dus vergelijkbaar, maar verschilt van de primaire lichtbron. Filtering van de verkondiging pad en detectietechnieken zijn hetzelfde, ongeacht de aard van de OPO gebruikt. De huidige reeks van protocollen detail hoe deze twee niet-normale staten genereren van continuous-wave optische parametrische oscillatoren en hoe ze te karakteriseren met een hoog rendement.
Protocol
Representative Results
Discussion
De conditionele voorbereiding techniek hier wordt gepresenteerd is altijd een wisselwerking tussen de initiële bipartiete resource en de meting uitgevoerd door de verkondiging detector. Deze twee componenten sterk beïnvloeden de quantum eigenschappen van het gegenereerde staat.
Ten eerste, de zuiverheid van de bereide staten sterk afhankelijk van de een van de eerste middelen, waarmee een 'goed' OPO vereist. Wat is een 'goede' OPO? Het is een apparaat voor de vluchtroute ef…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt ondersteund door de ERA-NET chist-ERA (project 'QScale') en door de ERC starting grant 'HybridNet'. F. Barbosa erkent de steun van CNR en FAPESP, en K. Huang de steun van de Stichting van de Auteur van de Nationale Excellent Doctoral Dissertation van China (PY2012004) en de China Scholarship Council. C. Fabre en J. Laurat zijn lid van het Institut Universitaire de France.
Materials
| Pump laser | Innolight | Diabolo | Dual output, IR and 532 nm |
| KTP and PPKTP crystal | Raicol | Available from other vendors | |
| Interferential filters | Barr associates | ||
| High efficiency photodiodes | Fermionics | Quantum efficiency above 97% | |
| Oscilloscope | Lecroy | Wave runner 610 Zi | Used for data acquisition |
| Spectrum analyser | Agilent | N9000A | Available from other vendors |
| Faraday rotator | Qioptic | FR-1060-5SC | Available from other vendors |
| PZT | PI | P-016.00H | Available from other vendors |
| Superconducting single-photon detectors | Scontel | SSPD | low dark counts |
| Optical switch | Thorlabs | OSW12-980E | Available from other vendors |
References
- Dell’Anno, F., et al. Multiphoton quantum optics and quantum state engineering. Phys. Reports. 428, 53-168 (2006).
- O’Brien, J. L., et al. Photonic quantum technologies. Nature Photon. 3, 687-695 (2009).
- Bachor, H. -. A., Ralph, T. C. . A guide to experiments in quantum optics. , (2004).
- Reid, M. D., et al. The Einstein-Podolsky-Rosen paradox: from concepts to applications. Rev. Mod. Phys. 81, 1727-1751 (2009).
- Van Loock, P. Optical hybrid approaches to quantum information. Laser & Photonics Review. 5, 167-200 (2011).
- Knill, E., et al. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
- Ralph, T. C., et al. Quantum computation with optical coherent states. Phys. Rev. A. 68, 042319 (2003).
- Leonhardt, U. . Measuring the quantum state of light. , (1997).
- Hong, C. K., Mandel, L. Experimental realization of a localized one-photon state. Phys. Rev. Lett. 56, 58-60 (1986).
- Lvovsky, A. I., et al. Quantum state reconstruction of the single-photon Fock state. Phys. Rev. Lett. 87, (2001).
- Ourjoumtsev, A., et al. Generating optical Schrödinger kittens for quantum information processing. Science. 312, 83-86 (2006).
- D’Auria, V., et al. Effect of the heralding detector properties on the conditional generation of single-photon states. Eur. Phys. Journ. D. 66, 249 (2012).
- D’Auria, V., et al. Quantum decoherence of single-photon counters. Phys. Rev. Lett. 107, (2011).
- Huisman, S. R., et al. Instant single-photon Fock state tomography. Opt. Lett. 34, 2739-2741 (2009).
- Morin, O., et al. High-fidelity single-photon source based on a Type II optical parametric oscillator. Opt. Lett. 37, 3738-3740 (2012).
- Ou, Z. Y., et al. Realization of the Einstein-Podolski-Rosen paradox for continuous variables. Phys. Rev. Lett. 68, 3663-3666 (1992).
- Laurat, J., et al. . Type-II Optical Parametric Oscillator: a versatile source of quantum correlations and entanglement in Quantum information with continuous-variables of atoms and light. , (2005).
- Laurat, J., et al. Compact source of Einstein-Podolski-Rosen entanglement and squeezing at very low noise frequencies. Phys. Rev. A. 70, (2004).
- D’Auria, V., et al. Full characterization of Gaussian bipartite entangled states by a single homodyne detector. Phys. Rev. Lett. 102, (2009).
- Dakna, M., et al. Generating Schrödinger-cat-like states by means of conditional measurements on a beam splitter. Phys. Rev. A. 55, 3184-3194 (1997).
- Gerrits, T., et al. Generation of optical coherent-state superpositions by number-resolved photon subtraction from the squeezed vacuum. Phys. Rev. A. 82, (2010).
- Neergaard-Nielsen, J. S., et al. Generation of a Superposition of Odd Photon Number States for Quantum Information Networks. Phys. Rev. Lett. 97, (2006).
- Wakui, K., et al. Photon subtracted squeezed states generated with periodically poled KTiOPO4. Opt. Express. 15, 3568-3574 (2007).
- Kumar, R., et al. Versatile wideband balanced detector for quantum optical homodyne tomography. Optics Com. 285, 5259-5267 (2012).
- Nielsen, A. E. B., Mølmer, K. Single-photon-state generation from a continuous-wave nondegenerate optical parametric oscillator. Phys. Rev. A. 75, (2007).
- Morin, O., et al. Experimentally accessing the optimal temporal mode of traveling quantum light states. Phys. Rev. Lett. 111, 213-602 (2013).
- Lvovsky, A. I., Raymer, M. G. Continuous-variable optical quantum-state tomography. Rev. Mod. Phys. 81, 299-332 (2009).
- Marek, P., Fiurasek, J. Elementary gates for quantum information with superposed coherent states. Phys. Rev. A. 82, (2010).
- Morin, O., et al. Remote creation of hybrid entanglement between particle-like and wave-like optical qubits. Nat. Photonics. Eprint. , (2013).
