स्पंदित क्वांटम आवृत्ति कंघी की पीढ़ी और सुसंगत नियंत्रण
Summary
एक प्रोटोकॉल व्यावहारिक पीढ़ी और उच्च आयामी आवृत्ति-बिन उलझ फोटॉन एकीकृत सूक्ष्म-गुहाओं और मानक दूरसंचार घटकों, क्रमशः का उपयोग राज्यों के सुसंगत हेरफेर के लिए प्रस्तुत किया है ।
Abstract
हम पीढ़ी और स्पंदित क्वांटम आवृत्ति कंघी के सुसंगत हेरफेर के लिए एक विधि प्रस्तुत करते हैं । अब तक, एक व्यावहारिक तरीके से उच्च आयामी राज्यों पर चिप तैयार करने के तरीकों को तैयार करने और इस तरह के राज्यों की प्रक्रिया के लिए आवश्यक क्वांटम सर्किट की बढ़ती जटिलता के कारण मायावी बनी हुई है । यहां, हम रूपरेखा कैसे उच्च आयामी, आवृत्ति बिन उलझ, दो फोटॉन राज्यों एक स्थिर, उच्च पीढ़ी दर पर एक नेस्टेड-गुहा का उपयोग करके उत्पंन किया जा सकता है, सक्रिय रूप से मोड एक गैर रेखीय माइक्रो गुहा की उत्तेजना बंद कर दिया । यह तकनीक स्पंदित क्वांटम आवृत्ति कंघी का उत्पादन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । इसके अलावा, हम वर्तमान कैसे क्वांटम राज्यों सुसंगत जा सकता है ऐसे प्रोग्राम फिल्टर और इलेक्ट्रो ऑप्टिक मॉडुलन के रूप में मानक दूरसंचार घटकों का उपयोग कर हेरफेर । विशेष रूप से, हम विस्तार से दिखाने के लिए कैसे इस तरह के घनत्व मैट्रिक्स पुनर्निर्माण, संयोग का पता लगाने, और एकल फोटॉन स्पेक्ट्रम दृढ़ संकल्प के रूप में राज्य विशेषताओं माप पूरा करने के लिए । प्रस्तुत तरीकों जटिल उच्च आयामी राज्य की तैयारी और आवृत्ति डोमेन में हेरफेर प्रोटोकॉल के लिए एक सुलभ, विन्यास, और स्केलेबल नींव के रूप में ।
Introduction
क्वांटम घटना के नियंत्रण के रूप में क्षेत्रों में नए अनुप्रयोगों के लिए संभावना खोलता है सुरक्षित क्वांटम संचार के रूप में विविध1, शक्तिशाली क्वांटम जानकारी प्रसंस्करण2, और क्वांटम संवेदन3। जबकि शारीरिक प्लेटफार्मों की एक किस्म सक्रिय रूप से क्वांटम प्रौद्योगिकियों के बोध के लिए शोध किया जा रहा है4, ऑप्टिकल क्वांटम राज्यों महत्वपूर्ण उंमीदवार है के रूप में वे लंबे समय से जुटना समय और बाहरी शोर से स्थिरता, उत्कृष्ट प्रदर्शन कर सकते है पारेषण संपत्तियों, साथ ही मौजूदा दूरसंचार और सिलिकॉन चिप (CMOS) प्रौद्योगिकियों के साथ संगतता ।
की ओर पूरी तरह क्वांटम प्रौद्योगिकियों, राज्य जटिलता और सूचना सामग्री के लिए फोटॉनों की क्षमता को साकार करने के लिए कई उलझ दलों के उपयोग के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है और/ हालांकि, इस तरह के ऑप्टिकल राज्यों के चिप पीढ़ी के सेटअप के रूप में व्यावहारिकता का अभाव है, जटिल नहीं पूरी तरह से स्केलेबल, और/ विशेष रूप से, उच्च आयामी पथ-उलझाव सुसंगत 
-उत्साहित समान स्रोतों की आवश्यकता होती है और बीम के विस्तृत सर्किट-5 बंटवारेों (जहां राज्य आयामी है), जबकि समय-उलझाव जटिल की जरूरत है मल्टी आर्म interferometers6. उल्लेखनीय है, आवृत्ति-डोमेन अच्छी तरह से स्केलेबल पीढ़ी और जटिल राज्यों के नियंत्रण के लिए उपयुक्त है, के रूप में क्वांटम आवृत्ति कंघी (QFC)7,8 एकीकृत प्रकाशिकी का एक संयोजन का उपयोग कर में हाल ही में शोषण के द्वारा दिखाया गया है और दूरसंचार9कने, और भविष्य क्वांटम सूचना प्रौद्योगिकियों के लिए एक आशाजनक रूपरेखा प्रदान करता है ।
पर चिप QFCs एकीकृत माइक्रो-गुहाओं में रेखीय ऑप्टिकल प्रभाव का उपयोग कर उत्पन्न कर रहे हैं । इस तरह के एक गैर रेखीय माइक्रो-प्रतिध्वनित, दो उलझ फोटॉनों का उपयोग (संकेत और आलसी व्यक्ति के रूप में उल्लेख किया) सहज चार द्वारा उत्पादित कर रहे हैं-लहर मिश्रण, दो उत्तेजना फोटॉनों के विनाश के माध्यम से-एक superposition में उत्पन्न परिणामी जोड़ी के साथ गुहा के समान रूप से दूरी गुंजयमान आवृत्ति मोड (चित्रा 1) । यदि व्यक्तिगत आवृत्ति मोड के बीच जुटना है, एक आवृत्ति बिन उलझ राज्य10का गठन किया है, जो अक्सर एक विधा के रूप में जाना जाता है-दो फोटॉन राज्य11बंद कर दिया । इस राज्य की लहर-समारोह द्वारा वर्णित किया जा सकता है,
यहाँ, 
और 
एकल-आवृत्ति-मोड आलसी व्यक्ति और संकेत घटक हैं, क्रमशः, और 
-th संकेत-आलसी व्यक्ति मोड जोड़ी के लिए प्रायिकता आयाम है ।
पर चिप QFCs के पिछले प्रदर्शन व्यवहार्य क्वांटम सूचना प्लेटफार्मों के रूप में अपनी बहुमुखी प्रतिभा को उजागर, और शामिल की कंघी संबंधित फोटॉनों12, पार-ध्रुवीकरण13फोटॉनों, उलझ फोटॉनों14,15 , 16, बहु फोटॉन राज्यों15, और आवृत्ति-बिन उलझ राज्यों9,17। यहां, हम QFC मंच और उच्च आयामी आवृत्ति-बिन उलझ ऑप्टिकल राज्य पीढ़ी और नियंत्रण के लिए एक प्रोटोकॉल का एक विस्तृत सिंहावलोकन प्रदान करते हैं ।
भविष्य क्वांटम अनुप्रयोगों, विशेष रूप से उन उच्च गति इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ इंटरफेस करने के लिए (समय पर सूचना प्रसंस्करण के लिए), उच्च शुद्धता फोटॉन राज्यों की उच्च दर पीढ़ी एक कॉंपैक्ट और स्थिर सेटअप में मांग । हम दूरसंचार एस, सी, और एल आवृत्ति बैंड के भीतर QFCs का उत्पादन करने के लिए एक सक्रिय रूप से मोड लॉक, नेस्टेड गुहा योजना का उपयोग करें । एक सूक्ष्म अंगूठी एक बड़ा स्पंदित लेजर गुहा में शामिल है, ऑप्टिकल लाभ के साथ (एक erbium-मैगनीज फाइबर एंपलीफायर, EDFA द्वारा प्रदान की) के लिए सूक्ष्म अंगूठी उत्तेजना बैंडविड्थ18मैच फ़िल्टर्ड । मोड ताला सक्रिय रूप से गुहा घाटा19के इलेक्ट्रो ऑप्टिक मॉडुलन के माध्यम से एहसास होता है । एक अलग से सुनिश्चित करता है कि पल्स प्रोपेगेशन एक ही दिशा निंनानुसार है । जिसके परिणामस्वरूप पल्स ट्रेन बहुत कम जड़ मतलब स्क्वायर (RMS) शोर और स्वरित्र पुनरावृत्ति दरों और पल्स शक्तियों का प्रदर्शन किया है । एक उच्च आइसोलेशन पायदान फ़िल्टर उत्तेजना फ़ील्ड से उत्सर्जित QFC फोटॉनों को अलग करता है. इन एकल फोटॉनों तो नियंत्रण और पता लगाने के लिए फाइबर के माध्यम से निर्देशित कर रहे हैं ।
हमारी योजना एक उच्च पीढ़ी दर, छोटे पदचिह्न QFC स्रोत की दिशा में एक कदम है, के रूप में सभी उपकरणों का इस्तेमाल संभवतः एक नैनोवायर चिप पर एकीकृत किया जा सकता है । इसके अतिरिक्त, स्पंदित उत्तेजना विशेष रूप से अच्छी तरह से क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए अनुकूल है । सबसे पहले, उत्तेजना के लिए माइक्रो गुहा अनुनादों की एक जोड़ी को देख, यह दो-फोटॉन राज्यों जहां प्रत्येक फोटॉन एक एकल आवृत्ति मोड द्वारा विशेषता है-रैखिक ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग20के लिए केंद्रीय उत्पंन करता है । के रूप में अच्छी तरह से, बहु फोटॉन राज्यों उच्च शक्ति उत्तेजना सरकारों को ले जाने और कई संकेत-आलसी व्यक्ति जोड़े15का चयन करके उत्पन्न किया जा सकता है । दूसरा, के रूप में फोटॉनों ज्ञात समय खिड़कियों में उत्सर्जित स्पंदित उत्तेजना, पोस्ट प्रोसेसिंग और गेटिंग के लिए इसी राज्य का पता लगाने में सुधार लागू किया जा सकता है । शायद सबसे महत्वपूर्ण, हमारी योजना फोटॉन राज्यों के उच्च पीढ़ी दर का समर्थन करता है हार्मोनिक मोड का उपयोग कर-संयोग को कम करने के लिए आकस्मिक अनुपात (कार) के बिना ताला-जो उच्च गति, मल्टी चैनल क्वांटम जानकारी के लिए मार्ग प्रशस्त सकता है प्रौद्योगिकियों.
प्रभाव और आवृत्ति की व्यवहार्यता का प्रदर्शन-डोमेन, QFC राज्यों के नियंत्रण लक्षित तरीके में पूरा किया जाना चाहिए, अत्यधिक कुशल परिवर्तनों और राज्य जुटना सुनिश्चित करना । दूरसंचार उद्योग में स्थापित घटकों-ऐसी आवश्यकताओं को संतुष्ट करने के लिए, हम व्यापक प्रोग्राम फिल्टर और चरण मॉडुलन का उपयोग करें । प्रोग्राम फिल्टर एक मनमाना वर्णक्रमीय आयाम और एक फोटॉनों पर चरण मुखौटा लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, प्रत्येक आवृत्ति मोड व्यक्तिगत रूप से पता करने के लिए पर्याप्त एक संकल्प के साथ; और इलेक्ट्रो-ऑप्टिक चरण रेडियो आवृत्ति (आरएफ) सिग्नल जनरेटर से प्रेरित मॉडुलन की आवृत्ति घटकों के मिश्रण21की सुविधा.
इस नियंत्रण योजना का सबसे महत्वपूर्ण पहलू यह है कि यह एक एकल नियंत्रण तत्वों का उपयोग कर, एक ही स्थानिक मोड में एक साथ फोटॉनों के सभी क्वांटम मोड पर चल रही है । क्वांटम राज्य आयामी वृद्धि सेटअप जटिलता में वृद्धि करने के लिए नेतृत्व नहीं करेगा, इसके विपरीत में पथ-या समय-बिन उलझाव योजनाओं । के रूप में अच्छी तरह से, सभी घटकों को बाह्य विंयास कर रहे है (अर्थ आपरेशन सेटअप में संशोधन के बिना बदला जा सकता है) और मौजूदा दूरसंचार बुनियादी सुविधाओं का उपयोग करें । इस प्रकार, ultrafast ऑप्टिकल प्रोसेसिंग के क्षेत्र में मौजूदा और आगामी घटनाओं को सीधे भविष्य में क्वांटम राज्यों के स्केलेबल नियंत्रण में स्थानांतरित किया जा सकता है ।
संक्षेप में, आवृत्ति के शोषण-QFCs द्वारा डोमेन जटिल क्वांटम राज्यों और उनके नियंत्रण के उच्च दर पीढ़ी का समर्थन करता है, और, इस प्रकार अच्छी तरह से व्यावहारिक और स्केलेबल क्वांटम प्रौद्योगिकियों के प्रति जटिल राज्यों के दोहन के लिए अनुकूल है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
ऑप्टिकल आवृत्ति-डोमेन, QFCs के माध्यम से, कारणों की एक मेजबान के लिए क्वांटम अनुप्रयोगों में लाभप्रद है । आपरेशन वैश्विक, एक साथ सभी राज्यों पर अभिनय कर रहे हैं, जो एक डिजाइन कि आकार या जटिलता में राज्य आया?…
Acknowledgements
हम तकनीकी अंतर्दृष्टि के लिए आर Helsten धंयवाद; पी. कुंग QPS Photronics से मदद और प्रसंस्करण के उपकरण के लिए; साथ ही QuantumOpus और एन Bertone OptoElectronics घटकों के उनके समर्थन के लिए और हमें राज्य के अत्याधुनिक फोटॉन का पता लगाने के उपकरणों के साथ प्रदान करने के लिए । यह काम निंनलिखित वित्तपोषण स्रोतों द्वारा संभव बनाया गया था: प्राकृतिक विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान कनाडा के परिषद (NSERC) (Steacie, सामरिक, डिस्कवरी, और त्वरण अनुदान योजनाओं, वाणी कनाडा स्नातक छात्रवृत्ति, USRA छात्रवृत्ति); Mitacs (IT06530) और PBEEE (२०७७४८); मेसी PSR-SIIRI पहल; कनाडा अनुसंधान कुर्सी कार्यक्रम; ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद डिस्कवरी परियोजनाएं (DP150104327); यूरोपीय संघ के क्षितिज २०२० मैरी Sklodowska-क्यूरी अनुदान (६५६६०७) के तहत अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम; CityU SRG-एफडी कार्यक्रम (७००४१८९); चीनी विज्ञान अकादमी (XDB24030300) के सामरिक प्राथमिकता अनुसंधान कार्यक्रम; लोग कार्यक्रम (मैरी क्यूरी क्रियाएं) यूरोपीय संघ के FP7 कार्यक्रम के तहत कारण अनुदान समझौते INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); ITMO फैलोशिप और प्रोफेसरी कार्यक्रम के माध्यम से रूसी संघ की सरकार (अनुदान ०७४-U 01); १००० प्रतिभा सिचुआन कार्यक्रम (चीन)
Materials
| Superconducting Nanowire Single-Photon Detector System | Quantum Opus | Opus One | |
| Electro-optic phase modulator | EO-Space | Low loss model | |
| Programmable filter | Finisar | WaveShaper 4000s | |
| Timing electronics | PicoQuant | HydraHarp 400 | |
| Micro-ring resonator | 200 GHz FSR micro-ring resonator made from high refractive index glass. See Ref. 24 for platform details. | ||
| Erbium-doped fiber amplifier | Keopsys | PEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA | |
| Electro-optic amplitude modulator | Oclaro | SD40 | |
| RF tone source | Rohde & Schwarz | SMP 04 | |
| RF tone amplifier | RF-Lambda | RFLUPA27G34GA | |
| Function generator | Tetronix | AFG 3251 | |
| Isolator | General Photonics | NISO-S-15-SS-FC/APF | |
| Oscilloscope | Tetronix | TDS5052B | |
| Photodiode | Finisar | XPDV 50 GHz | |
| DWDM | OptiWorks | DWFUQUMD08BN | |
| Power supply | Madell | CA18303D |
References
- Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
- Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
- Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604 (2014).
- Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O’Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
- Schaeff, C., Polster, R., Lapkiewicz, R., Fickler, R., Ramelow, S., Zeilinger, A. Scalable fiber integrated source for higher-dimensional path-entangled photonic quNits. Optics Express. 20 (15), 16145 (2012).
- Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93 (2004).
- Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
- Caspani, L., et al. Multifrequency sources of quantum correlated photon pairs on-chip: a path toward integrated Quantum Frequency Combs. Nanophotonics. 5 (2), 351-362 (2016).
- Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
- Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
- Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
- Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
- Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236 (2015).
- Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
- Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
- Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731 (2016).
- Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62 (19), (2017).
- Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940 (2017).
- Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
- Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
- Olislager, L., Woodhead, E., Phan Huy, K., Merolla, J. M., Emplit, P., Massar, S. Creating and manipulating entangled optical qubits in the frequency domain. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 89 (5), 1-8 (2014).
- . Finisar WaveShaper Software Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018)
- Capmany, J., Fernández-Pousa, C. R. Quantum model for electro-optical phase modulation. Journal of the Optical Society of America B. 27 (6), A119 (2010).
- Stocklin, F. . Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
- Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. . Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
- Moss, D. J., Morandotti, R., Gaeta, A. L., Lipson, M. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature Photonics. 7 (8), 597-607 (2013).
- Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100 (2017).
- Guo, X., Zou, C., Schuck, C., Jung, H., Cheng, R., Tang, H. X. Parametric down-conversion photon-pair source on a nanophotonic chip. Light: Science & Applications. 6 (5), e16249 (2016).
- Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884 (2015).
- Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413 (2011).
- Kumar, R., Ong, J. R., Savanier, M., Mookherjea, S. Controlling the spectrum of photons generated on a silicon nanophotonic chip. Nature communications. 5, 5489 (2014).
- Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182 (1992).
- Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
- Thoen, E. R., Grein, M. E., Koontz, E. M., Ippen, E. P., Haus, H. A., Kolodziejski, L. A. Stabilization of an active harmonically mode-locked fiber laser using two-photon absorption. Optics Letters. 25 (13), 948 (2000).
- Harvey, G. T., Mollenauer, L. F. Harmonically mode-locked fiber ring laser with an internal Fabry-Perot stabilizer for soliton transmission. Optics Letters. 18 (2), 107 (1993).
- Gee, S., Quinlan, F., Ozharar, S., Delfyett, P. J. Simultaneous optical comb frequency stabilization and super-mode noise suppression of harmonically mode-locked semiconductor ring laser using an intracavity etalon. IEEE Photonics Technology Letters. 17 (1), 199-201 (2005).
- Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).
