Generasjon og sammenhengende kontroll av pulserende Quantum frekvens kammer

Summary

En protokoll er presentert for praktisk generasjon og sammenhengende manipulering av høy-dimensjonale frekvens-bin fanget Foton stater med integrert mikro-hulrom og standard telekommunikasjon komponenter, henholdsvis.

Abstract

Vi presenterer en metode for generasjon og sammenhengende manipulering av pulserende quantum frekvens kammer. Inntil nå har metoder å forberede høy-dimensjonale stater på prosessoren på en praktisk måte vært unnvikende på grunn av den økende kompleksiteten av quantum kretsene måtte forberede og behandle slike tilstander. Her vi skissere hvordan høy-dimensjonale, frekvens-bin fanget, to-fotonet stater kan genereres med en stabil, høy generasjon hastighet ved hjelp av en nestet hulrom, aktivt modus-låst magnetisering av et ikke-lineære mikro-hulrom. Denne teknikken brukes til å produsere pulserende quantum frekvens kammer. Dessuten, vi presenterer hvordan kvantetilstander kan være sammenhengende manipulert med standard telekommunikasjon komponenter som programmerbare filtre og elektro-optisk modulatorer. Spesielt viser vi i detalj hvordan du utfører staten karakterisering målinger som tetthet matrix gjenoppbygging, tilfeldig oppdagelse og enkelt Foton spektrum besluttsomhet. Metodene presentert danner et tilgjengelig, rekonfigurerbare og skalerbar grunnlag for komplekse høy-dimensjonale staten forberedelse og manipulasjon protokoller i frekvens domene.

Introduction

Den quantum fenomener åpner muligheten for nye programmer i felt så forskjellige som sikker quantum kommunikasjon¹, kraftig quantum informasjonsbehandling²og quantum sensing³. Mens en rekke fysiske plattformer undersøkes aktivt for realizations av quantum teknologi⁴, er optisk kvantetilstander viktig kandidater som de kan vise lang sammenheng ganger og stabilitet fra ekstern støy, utmerket overføring egenskaper, samt kompatibilitet med eksisterende telekommunikasjon og silisium chip (CMOS) teknologier.

Å fullt ut realisere potensialet i fotoner for quantum teknologier, kan staten kompleksitet og informasjon innhold økes ved hjelp av flere fanget parter og/eller høy-dimensjonalitet. Men mangler på prosessoren generering av slike optisk tilstander funksjonalitet som oppsett er komplisert, ikke helt skalerbar og/eller bruke høyt spesialiserte komponenter. Spesielt høy-dimensjonale bane-forviklinger krever sammenhengende-spent identiske kilder og forseggjort kretser bjelke-splitters⁵ (der er staten dimensionality), mens tid-forviklinger trenger komplekse flere arm interferometers⁶. Bemerkelsesverdig, frekvens-domene er velegnet for skalerbare generasjon og kontroll av komplekse stater, som vist av sine siste utnyttelse i quantum frekvens kammer (QFC)^7,8 bruke en kombinasjon av integrert optikk og telekommunikasjon infrastruktur⁹, og gir en lovende ramme for fremtidige quantum informasjonsteknologi.

På prosessoren QFCs genereres ved hjelp av lineær optiske effekter i integrert mikro-hulrom. Bruke slik en lineær mikro-resonator, er to fanget fotoner (kjent som signal og dagdriver) produsert av spontane fire-bølge miksing, via tilintetgjørelsen av to eksitasjon fotoner – med den resulterende par genereres i en superposisjon av hulrommets jevnt plasserte resonansfrekvensen moduser (figur 1). Hvis det er sammenheng mellom de individuelle frekvens, er en frekvens-bin fanget stat dannet¹⁰, som ofte kalles en modus-låst to Foton stat¹¹. Denne staten bølge-funksjonen kan beskrives ved,

Her, og er single-frekvens-modus dagdriver og signal komponenter, henholdsvis, og er sannsynligheten amplituden til den -te signal-dagdriver modus par.

Tidligere demonstrasjoner av på prosessoren QFCs markere deres allsidighet som levedyktig quantum informasjon plattformer, og inkluderer kammer korrelert fotoner¹², cross-polarisert fotoner¹³, fanget fotoner^{14,15 , 16}: flere Foton sier¹⁵, og frekvens-bin fanget stater^9,17. Her vi gir en detaljert oversikt over QFC plattformen og en protokoll for høy-dimensjonale frekvens-bin fanget optisk staten generasjon og kontroll.

Fremtidige quantum programmer, særlig de å være tilkobles med høyhastighets elektronikk (for rettidig informasjonsbehandling), krever høy generering av høy renhetsgrad Foton stater i en kompakt og stabil oppsett. Vi bruker et aktivt modus-låst, nestede hulrom-oppsett til å produsere QFCs innenfor telekommunikasjon S og C L frekvensbånd. En mikro-ring er innlemmet i et større pulsed laser-hulrom, med optisk gevinst (fra erbium-dopet fiber forsterker, EDFA) filtrert for å matche den mikro-ring eksitasjon båndbredde¹⁸. Modus-låsing er aktivt realisert via elektro-optisk modulering av hulrom tap¹⁹. En isolator sikrer at impuls overføring følger én retning. Resulterende puls toget har svært lav rot betyr torget (RMS) støy og utstillinger tunable repetisjon priser og puls krefter. Høy isolasjon støyfilter skiller slippes ut QFC fotoner fra feltet eksitasjon. Disse enkelt fotoner er så guidet gjennom fiber for kontroll og gjenkjenning.

Våre ordningen er et skritt mot en høy generasjon-rente, små-fotavtrykk QFC kilde, som alle komponenter som brukes kan potensielt bli integrert på en foto flis. Dessuten er pulserende eksitasjon spesielt godt egnet for quantum programmer. Først genereres ser på et par mikro-hulrom resonanser symmetrisk til magnetisering, to-fotonet stater der hvert Foton er preget av en enkelt-frekvens modus-sentral for lineær optisk quantum computing²⁰. I tillegg kan flere Foton stater genereres ved flytting til høyere makt eksitasjon regimer og velge flere signal-dagdriver par¹⁵. Andre, som fotoner er slippes ut i kjente tidsvinduer tilsvarer pulserende magnetisering, etterbehandling og gating kan implementeres for å forbedre gjenkjenning av staten. Kanskje mest betydelig, støtter vår ordning høy generasjon priser Foton stater med harmonisk modus-låsing uten å redusere tilfeldig-til-tilfeldig forholdet (bil)-som kunne bane vei for høyhastighets, flerkanals quantum informasjon teknologi.

For å vise virkningen og gjennomførbarhet av frekvens-domene, må kontroll over QFC stater oppnås i målrettede måter, sikre høyeffektive transformasjoner og staten sammenheng. For å tilfredsstille slike krav, bruker vi overlappende programmerbare filtre og fase modulatorer-etablerte komponenter i telekommunikasjonsbransjen. Programmerbare filtre kan brukes å innføre en vilkårlig spectral amplitude og fase maske på enkelt fotoner, med en oppløsning som er tilstrekkelig til å møte hver frekvens modus individuelt. og elektro-optisk fase modulatorer drevet av radiofrekvens (RF) signalgeneratorer rette blanding av frekvens komponenter²¹.

Det viktigste aspektet ved denne kontrollen ordningen er at det fungerer på alle quantum moduser av fotoner samtidig i en enkelt romlige modus, bruker én kontrollelementer. Økende quantum staten dimensionality vil ikke føre til en økning i installasjonsprogrammet kompleksiteten, i motsetning til bane – eller tid-bin forviklinger ordninger. Også, alle komponenter er eksternt rekonfigurerbare (som betyr operasjonene kan endres uten endring oppsettet) og bruke eksisterende infrastruktur for telekommunikasjon. Dermed kan eksisterende og kommende utviklingen innen lynraske optisk behandling direkte overføres til skalerbare kontroll av kvantetilstander i fremtiden.

I sammendraget, utnyttelse av frekvens-domene av QFCs støtter høy generering av komplekse kvantetilstander og deres kontroll, og er dermed godt egnet for å utnytte komplekse stater mot praktisk og skalerbar quantum technologies.

Protocol

1. generasjon av høy-dimensjonale frekvens-bin fanget stater via pulserende eksitasjon Etter ordningen i figur 2 (generasjon scenen), koble til hver komponent bruker polarisering-opprettholde optiske fibre (for forbedret miljømessig stabilitet). Koble en strømforsyning til elektro-optisk amplituden modulator og bruke en DC spenning forskyvning, tuning forskyvningsverdien til optiske kraften overføres gjennom det er ca halvert (målt ved hjelp av en optisk strømmåler…

Representative Results

Skissert ordningen for generasjon og kontroll av høy-dimensjonale frekvens-bin USA (basert på magnetisering av lineære mikro-hull, figur 1) er vist i figur 2. Dette oppsettet bruker standard telekommunikasjon komponenter og er meget fleksibel i Foton produksjon hastigheten og behandling operasjoner brukes. Figur 3 viser karakterisering av generasjon ordningen gjennom tilfeldighet rate og bil som f…

Discussion

Optisk frekvens-domene, via QFCs, er en fordel i quantum programmer for en rekke grunner. Operasjoner er globale, opptrer på alle stater samtidig, noe som resulterer i et design som gjør ikke målestokken i størrelse eller kompleksitet som staten dimensionality øker. Dette forsterkes som komponentene kan være omstrukturert on-the-fly uten å endre oppsettet og er i stand til å bli integrert på prosessoren ved å utnytte eksisterende og/eller utvikle semiconductor og telekommunikasjon infrastruktur. Generasjon tekn…

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