Summary
Опишем надежную поколение негауссовских состояний путешествия световых полей, в том числе одно-фотонных состояний и когерентное состояние суперпозиции, используя условный способ получения управляется на неклассической света, излучаемого оптических параметрических генераторов. Фазовые соответствием осцилляторы типа I и типа II рассматриваются и общие процедуры, такие как необходимого частотной фильтрации или высокопроизводительного квантового состояния характеристик по гомодинирование, подробно.
Abstract
Инженерно неклассические состояния электромагнитного поля является центральным стремление к квантовой оптики 1,2. Помимо их фундаментальное значение, такие состояния действительно ресурсы для реализации различных протоколов, начиная от повышения метрологии для квантовой связи и вычислительной техники. Разнообразные устройства могут быть использованы для создания неклассические состояния, такие как одиночных излучателей, интерфейсы светло-материи или нелинейных систем 3. Мы сосредоточимся на использовании непрерывного излучения ПГС 3,4. Эта система основана на нелинейный χ 2 кристалла вставленной внутри оптического резонатора и в настоящее время известен как очень эффективный источник неклассической света, например, одномодовому или двухмодового сжатого вакуума в зависимости от кристалла согласование фаз.
Сжатый вакуум является гауссовским государство как ее распределения квадратурных следовать гауссовой статистике. Тем не менее, было показано, что количество протоколы требуют нон-Gausсийской заявляет 5. Создание непосредственно такие состояния является сложной задачей и потребует сильной χ 3 нелинейности. Другой способ, вероятностный но предвестником, состоит в использовании измерений, вызванных нелинейностью через методике условного подготовки оперировал гауссовских состояний. Здесь мы подробно протокол это поколение в течение двух негауссовских государств, государства однофотонном и суперпозиции когерентных состояний, с использованием двух-разному фазовые соответствием параметрических генераторов в качестве первичных ресурсов. Этот метод позволяет достижение высокого верности с целевой государства и поколения государства в хорошо контролируемых пространственно-временной режим.
Introduction
Возможность инженер квантовое состояние путешествия оптические поля является центральным требованием для квантовой информатики и технологии 1, в том числе квантовой связи, вычислительной техники и метрологии. Здесь мы рассмотрим подготовку и характеристику некоторых конкретных квантовых состояний, используя в качестве основного ресурса свет, испускаемый непрерывного излучения оптических параметрических генераторов 3,4 эксплуатируемых ниже порога. В частности, две системы будут рассмотрены - фазовый соответствием ОПГ типа II и типа I ОПГ - позволяет соответственно надежную поколение возвестил одиночных фотонов и оптических когерентных государственных суперпозиции (CSS), т.е. состояний вида | α > - |-α>. Эти государства обладают большими возможностями для реализации различных квантовых информационных протоколов, начиная от линейного оптического квантового вычисления 6 оптических гибридных протоколов 5,7. Важно отметить, что метод р возмущало здесь позволяет получить низкую примесь вакуума и излучения в хорошо управляемой пространственно-временной режим.
Вообще говоря, квантовые состояния могут быть классифицированы как гауссовских состояний и негауссовских государств в соответствии с формой распределения квази-вероятностей в фазовом пространстве называется Вигнера функция W (х, р) 8. Для негауссовских государств, функция Вигнера может принимать отрицательные значения, сильный подпись не-классичности. Однофотонная или когерентное состояние суперпозиции действительно негауссовы государства.
Эффективной процедуры для генерации таких состояний, как известно как условного метода подготовки, где начальная гауссова ресурс в сочетании с так называемым негауссовой измерения, таких как счета фотонов 9,10,11,12,13. Эта общая схема, вероятностный, но возвестил, намечено на рисунке 1а.
"FO: контент-ширины =" 5 дюймов "FO: SRC =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg "Первоначально" / files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg "/>
Рисунок 1. (А) Концептуальная схема условного способа приготовления. (Б) Условное подготовка государства однофотонном от ортогонально-поляризованных пар фотонов (тип-II ПГС) разделяются на поляризационный светоделитель. (С) Условный подготовка согласованной государственной суперпозиции путем вычитания однофотонной из сжатого вакуума (тип-я ОПГ).
Измеряя один режим двудольного запутанном состоянии, другой режим прогнозируется в состояние, будет зависеть от этого измерения и от начального запутанного ресурса 12,13.
Каковы требуемый ресурс и детектор провозглашать, необходимые для создания вышеупомянутых государств? Одно-фотонные состояния могут быть получены с использованием односпальные лучи, то есть числа фотонов коррелирует балки. Обнаружение одной-пHoton на одном режиме, то предвещает поколение одной-фотона на другой режим 9,10,14,15. Вырожденным по частоте типа II OPO 16,17,18,19 действительно хорошо подходит источник для этой цели. Сигнальной и холостой фотоны числа фотонов коррелирует и испускаются с ортогональных поляризаций. Обнаружение однофотонной на одной поляризационной моды проекты другую в состояние однофотонном, как показано на рисунке 1b.
Что касается когерентное состояние суперпозиции, они могут быть получены путем вычитания однофотонной из сжатого вакуума 20, полученного либо импульсного однопроходном параметрического рассеяния 11,21 или типа-я ОПГ 22,23. Вычитание выполняется нажатием малую часть света на светоделитель и обнаружения однофотонной в этом режиме (рис. 1в). Сжатый вакуум представляет собой суперпозицию даже числа фотонов государств, таким образом, вычитая однофотонного приводитк суперпозиции нечетных числа фотонов государств, который имеет высокую точность с линейной суперпозиции двух когерентных состояний равного и малой амплитудой. По этой причине, название 'Шредингера котенок "иногда было уделено этом состоянии.
Общий порядок создания этих государств, таким образом, похожи, но отличается от первичного источника света. Фильтрация пути и обнаружения предвещая одинаковы независимо от используемых тип ОПГ. Настоящий серия протоколов подробно, как генерировать эти два негауссову государства от непрерывного излучения оптических параметрических генераторов и как охарактеризовать их с высокой эффективностью.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ПГС
- Постройте длинный 4 см semimonolithic линейный полость (для улучшения механической прочности и снижения потерь внутрирезонаторных). Входной зеркало непосредственно с покрытием на одной стороне нелинейного кристалла.
- Выбор входного соединителя отражение 95% для насоса при 532 нм и высоким отражением для сигнала и холостой при 1064 нм. И наоборот, выбрать выходной соединитель быть высокой отражающей способностью для насоса и пропускания Т = 10% для инфракрасной области спектра. Свободный спектральный диапазон ОПГ равна Δω = 4,3 ГГц, а полоса пропускания составляет около 60 МГц. Сделать полость трижды резонансным, т.е. для насоса и для полей понижающего преобразования.
- Используйте кристалл КТР для системы ПГС Тип-II или PPKTP кристалла для типа I ОПГ. Температура стабилизировать кристаллы на их температур фазового синхронизма.
- Использование в качестве источника лазерного излучения частоты непрерывного излучения в два раза Nd: YAG лазера. Насос ОПГ на длине волны 532 нм и использовать ининфракрасной свет, после пространственной фильтрации по высокой утонченность полости (режим чистого), как местного генератора (LO) для обнаружения гомодинной.
- Достижение режима-согласование между насосом и моды резонатора.
- Блокировка длины резонатора на резонансе насоса методом фунт-Дривер-Холла. Для этой цели применять 12 МГц электрооптического модуляции с к насосу и обнаруживать свет обратно отраженного от полости с оптическим вентилем.
2 Условное Приготовление:. Фильтрация предвещая Путь
- Отделите выход OPO в двух режимах. Один соответствует режиму Heralding, а другой является предвестником состояние, которое будет обнаружено обнаружения гомодинной.
- Руководство режим провозвестник к детектора однофотонном. В частности, для ОПГ типа II, отделить ортогональных мод сигнальной и холостой поляризованным светоделителем (PBS). Для типа I ОПГ, вытряхнуть малую часть (3%) из сжатого вакуума поделитель луча (БС).
- Фильтр режим провозвестник удалить частотные режимы невырожденные из-за полости ПГС. Для ОПГ, выход действительно содержит много попарно коррелируют, но спектрально разделенных режимы, ω 0 + nΔ ω и ω 0-nΔ ω где п является целым числом. Для генерации возвестила состояние на несущей частоте, необходимо, чтобы отфильтровать все из этих режимов невырожденных.
- Используйте первый интерференционный фильтр с полосой пропускания 0,5 нм.
- Добавить самодельный линейного резонатора Фабри-Перо со свободным спектральном диапазоне 330 ГГц и полосой пропускания 300 МГц (длина около 0,4 мм и утонченность вокруг 1000). Ширина полосы полость выбирается так, чтобы быть больше, чем один из ОПГ и свободного спектральном диапазоне, больше, чем окна частот интерференционного фильтра.
- Достижение хотя бы общее неприятие 25 дБ из режимов невырожденных.
- Зафиксируйте фильтрацию Фабри-Перо по методике смятение и-замка.
- Для этого, придать обратную распространяющийся вспомогательный луч через оптический переключатель и отклонить его у входа в полость фильтрации по оптическому вентилю. Обнаружение свет на выходе.
- Зафиксируйте полость в течение 10 мс и начать после периода измерения в течение 90 мс с вспомогательной балки прочь.
- Обнаружение отфильтрованный режим провозвестник детектором однофотонном в течение периода измерения. Сверхпроводящих детектор однофотонный (SSPD) используется для ограничения количества темного шума (несколько Гц), которые в противном случае ухудшить верность условного государства.
3. Квантовая Государственный томография по обнаружению Гомодинный
- Обнаружение возвестила состояние со сбалансированным обнаружения гомодинной состоит из 50/50 светоделителем где поле для характеристики и сильного непрерывного излучения гетеродина (LO, 6 мВт) доводятся вмешиваться, и пара высоким квантовым эфiciency InGaAs фотодиоды.
- В целях приведения обнаружение, впрыснуть в полости ПГС яркий вспомогательный луч на 1064 нм и режим матча Этот режим с режимом LO. Достижение интерференционных полос близка к единице. Любой режим несоответствие квадратично приводит к потерям обнаружения.
- Проверьте свойства гомодинное детектирование. С мощностью LO 6 мВт, дробовой шум предел (SNL) является плоской до 50 МГц. Это больше, чем 20 дБ выше электронных шумов на частоте низкого анализа (МГц), 16 дБ выше на частоте анализа 50 МГц. Это расстояние является критическим параметром, поскольку это приводит к потерям в обнаружении (10 дБ (20 дБ) расстояние переводит на 10% (1%) эффективной потере) 24.
- Для каждого события обнаружения от детектора однофотонном, запишите гомодинного фототок с помощью осциллографа с частотой дискретизации 5 Гвыб / с в течение 100 нс. Развертки фазы LO с ЦТС монтажа зеркала во время измерения.
- Фильтр каждый записанный сегмент с гиВен функцию временной режим для получения на каждом успешной подготовки одно значение квадратура условного государства. Оптимальный режим функция для низкого усиления близок к двухсторонней экспоненциальной функции 25 с постоянной распада, равной обратной величине полосы пропускания ПГС. Оптимальный режим также можно найти с помощью Разложение по собственным функциям автокорреляционной функции 26.
- Накопить измерений (50000 необходимы для томографии) и пост-обработки данных с алгоритмом максимального правдоподобия 27. Эта процедура позволяет реконструкцию матрицы плотности возвестил государства и соответствующего Вигнера функции 8.
4. Условное Подготовка однофотонной государства с Тип-II ОПГ
- Насос типа-II ОПГ намного ниже порога (1 мВт здесь порогом 80 мВт), чтобы иметь очень низкую вероятность многофотонных пар.
5. Условное Подготовка когерентнойГосударственный Наложение с типа I ОПГ
- Проверьте сжатый вакуум, порожденный ОПГ недалеко от порога с помощью анализатора спектра. Измеренная спектры шума показаны на рисунке 3.
- Используйте ОПГ при мощности насоса благоприятной наблюдение около 3 дБ сжимая при низких боковых частот (несколько МГц).
- При измерении гомодинной, информация фаза имеет важное значение для фазы зависит от состояний, таких как состояния CSS. Сканирование фазы LO с 10 Гц пилообразной волны с рабочим циклом 90% (что соответствует 90 мс периода измерения и 10 мс фиксирующих периода.) Синхронизация развертки чтобы убедиться, что в течение периода измерения, существует один в одном направлении размах ЦТС монтажа зеркала.
- С помощью сигнала гомодинного измерить дисперсию а затем вывести фазу измеренного квадратуре.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Для ОПГ типа II и генерации высококачественного состояния одного фотона:
Реконструкция томографических из возвестил состоянии показана на рисунке 2, где диагональные элементы матрицы реконструированного плотности и соответствующей функции Вигнера отображаются. Без каких-либо поправок потери, возвестил государство проявляет однофотонное компонент так высоко, как 78%. Принимая во внимание общие потери обнаружения (15%), государство достигает верность 91% с государством однофотонном. Компонент двухфотонная, что является результатом нескольких пар фотонов, создающих в процессе преобразования вниз, ограничивается 3%.
Для типа я ОПГ и генерация государства CSS:
Порог Тип-I ОПГ составляет около 50 мВт. Для того чтобы наблюдать сильное сжатие, мы выполнять измерения, близкие к порогу, то есть с насоса мощностью 40 мВт, а при частоте анализа 5 МГц. Как показано на рисунке 3а, тотмерил сдавливание является -10.5 ± 0.5 дБ относительно дробового шума (без исправлений, 16 ± 1 дБ, если с поправкой на потери обнаружения и электроники шума), а также анти-сжатие составляет 19 ± 0,5 дБ. Полный спектр шума от 0 до 50 МГц при мощности накачки 40 мВт и 5 мВт показано на рисунке 3b. В мощности накачки 5 мВт, значения сжимая и анти-сжатие почти то же самое, что приводит к состоянию с чистотой, близкой к единице. Это высокой чистоты сжатый вакуум используется для подготовки состояние CSS. Реконструкция томографических из возвестил государства дается на рисунке 4, где диагональные элементы матрицы реконструированного плотности и соответствующей функции Вигнера отображаются.
Рисунок 2. Высококачественное Однофотонное состояние. (А) Dia нальных элементов матрицы плотности реконструированного без коррекции от потерь обнаружения. (б) соответствующая функция Вигнера. х и р квадратурные составляющие обозначают.
Рисунок 3. Измеряется шума спектры сжатый вакуум состояний, порожденной тип-я PPKTP ОПГ. Все данные записываются с помощью анализатора спектра с разрешением пропускной способностью 300 кГц и полосы видеосигнала 300 Гц. Спектры нормированы на пределе дробового шума. (А) дисперсию шума в зависимости от фазы гетеродина, при мощности накачки 40 мВт и анализ частоты 5 МГц. (Б) Широкополосный сжимая до 50 МГц для насоса мощность 5 мВт и мощности накачки 40 мВт. Пик при 12 результатов МГц от электрооптического модуляции используется для блокировки полости.
Рисунок 4. Когерентное состояние суперпозиции (государство »Шредингера котенок»). (А) Диагональные элементы матрицы плотности реконструированного без коррекции от потерь обнаружения. (Б) соответствующая функция Вигнера. х и р квадратурные составляющие обозначают.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Методика условно подготовка представлены здесь всегда взаимодействие между начальной двустороннего ресурса и измерения, выполняемого детектора предвещая. Эти два компонента сильно влиять квантовые свойства генерируемого государства.
Во-первых, чистота полученных состояний сильно зависит от одной из исходного ресурса, тем самым «хорошо» OPO требуется. Что такое «хорошо» ОПГ? Это устройство, для которого эффективность побег η близок к единице. Параметр η задается соотношением передачи выходного устройства, T, и суммы этой передачи и потерь внутри полости (исходя из россыпей или поглощения в кристалле), L + T Для заданного L, передача выходе должна быть увеличена, за счет увеличения порога квадратично с этой передачей. Эффективность побег непосредственно определяет максимальное количество сжатия, что может быть obtaiНед близко к порогу. Здесь, эффективность побег около 96% как для ОПГ. Для условного препарата, OPO затем используют вдали от порога, чтобы гарантировать высокую степень чистоты.
Еще одним фактором, происходит от предвещая обнаружения однофотонном. Прежде всего, детекторы тока однофотонные в основном включение / выключение детекторы, способные только предвещать обнаружение по крайней мере один фотон. По этой причине принципиально важно, чтобы быть в режиме, где вероятность иметь два фотона на пути воздуха является очень низким по сравнению с вероятностью иметь один фотон. Во-вторых, детекторы могут быть шумными. Такие события не предвещать поколение целевой государства и привести к смеси возвестил государства и начального ресурса. В частности, они приведут к примесью вакуума в подготовке однофотонном или сжатого вакуума в подготовке CSS. В нашем эксперименте мы используем сверхпроводящий детектор однофотонное ограничить этот вклад. Чтэ темно шум вокруг нескольких герц (в то время как скорость счета одиночных фотонов составляет десятки кГц).
Метод, представленный здесь дает надежную поколение негауссовских государств с высокой точностью, в основном ограничивается потерями в обнаружении связи с близкой к единице побега эффективности ОПГ. Кроме того, хорошо контролируемых пространственно-временной режим, в котором они генерируются облегчит их использование в последующих протоколах, где такие состояния, возможно, должны мешать другим оптических ресурсов, например, в оптических реализаций ворот 28 или комплексной государственной инженерно 29.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.
Acknowledgments
Эта работа проводится при поддержке ERA-NET Чисть-ЭРА (проект "QScale '), а также ERC начиная гранта» HybridNet ". Ф. Барбоса признает поддержку от КНП и FAPESP, К. Хуан поддержки от Фонда авторе Национального Отличная докторской диссертации Китая (PY2012004) и совета по стипендиям Китая. С. Фабр и Дж. Лора являются членами Института Университетский де Франс.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- Bachor, H. -A., Ralph, T. C. A guide to experiments in quantum optics. , Wiley VCH. (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. , Cambridge University Press. Cambridge. (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.
- 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. , Imperial College Press. (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.
- 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).
