Generation och konsekvent kontroll av pulsad Quantum frekvens kammar
Summary
Ett protokoll presenteras för praktiska generering och sammanhängande manipulation av högdimensionella frekvens-bin intrasslad photon stater med integrerad mikro-håligheter och standard telekommunikation komponenter, respektive.
Abstract
Vi presenterar en metod för generering och sammanhängande manipulation av pulsad quantum frekvens kammar. Fram tills nu har förblivit metoder för att förbereda högdimensionella staterna på-chip på ett praktiskt sätt svårfångad på grund av den ökande komplexiteten i den quantum kretsar behövs för att förbereda och behandla sådana stater. Här, vi beskriver hur hög-dimensionell, frekvens-bin intrasslad, två-photon stater kan genereras med en stabil och hög generation hastighet genom att använda en kapslad-hålighet, aktivt läge-låst excitation av en ickelinjär mikro-hålighet. Denna teknik används för att producera pulsad quantum frekvens kammar. Dessutom presenterar vi hur kvanttillstånd kan vara konsekvent manipuleras med standard telekommunikation komponenter såsom programmerbara filter och Elektro-optisk modulatorer. I synnerhet visar vi i detalj hur man utför staten karakterisering mätningar såsom densitet matris återuppbyggnad, slump upptäckt och single photon spektrum beslutsamhet. Presenterade metoderna utgör en tillgänglig, omkonfigurerbara och skalbara stiftelse för komplexa högdimensionella staten förberedelser och manipulation protokoll i frekvensplanet.
Introduction
Kontroll av kvantfenomen öppnar möjligheten för nya tillämpningar inom områden som är så mångskiftande som säkert quantum kommunikation1, kraftfull quantum informationsbehandling2och quantum avkänning3. Medan en mängd fysiska plattformar är aktivt som forskat för genomförandena av quantum technologies4, är optisk kvanttillstånd viktigt kandidater som de kan uppvisa lång samstämmighet gånger och stabilitet från yttre buller, utmärkt överföring egenskaper, samt kompatibilitet med befintliga telekommunikation och kisel chip (CMOS) teknik.
Mot fullt insåg potentialen i fotoner för kvantteknik, kan staten komplexitet och informationsinnehåll ökas med hjälp av flera intrasslad parterna och/eller hög-dimensionalitet. Dock saknar på-chip generering av sådana optiska stater funktionalitet som uppställningar är komplicerade, inte helt skalbara, och/eller använda specialiserad komponenter. Högdimensionella sökväg-entanglement kräver specifikt, 
ett konsekvent-upphetsad identiska källor och genomarbetade kretsar av balk-splitters5 (där är den statliga dimensionalitet), medan tid-entanglement behöver komplexa flera arm interferometrar6. Anmärkningsvärt, frekvens-domänen är väl lämpad för skalbara generering och kontroll av komplexa stater, vilket framgår av dess senaste utnyttjande i quantum frekvens kammar (QFC)7,8 med en kombination av integrerad optik och telekommunikation infrastrukturer9, och ger en lovande ram för framtida quantum informationsteknik.
På-chip QFCs genereras med hjälp av olinjära optiska effekter i integrerade mikro-håligheter. Med sådan en ickelinjär mikro-resonator, produceras två snärjda fotonerna (noteras som signal- och kugghjul) av spontana fyra-våg blandning, via förintelse av två excitation fotoner – med den resulterande par som genereras i en överlagring av hålrummets jämnt fördelade resonant frekvens lägen (figur 1). Om det finns samstämmighet mellan lägena individuella frekvens, är en frekvens-bin intrasslad stat bildade10, som benämns ofta som ett låst läge-två photon stat11. Denna stat våg-funktion kan beskrivas av,
Här, 
och 
är single-frekvens-mode kugghjulets och signal komponenter, respektive, och 
är sannolikheten amplituden för den 
-th signal-kugghjul läge par.
Tidigare demonstrationer av på-chip QFCs markera sin mångsidighet som livskraftig quantum informationsplattformar, och inkluderar kammar korrelerade fotoner12, cross-polariserade fotoner13, snärjda fotonerna14,15 , 16, multi photon anges15och frekvens-bin intrasslad stater9,17. Här, vi ger en detaljerad översikt över QFC plattformen och ett protokoll för högdimensionella frekvens-bin intrasslad optiska staten generation och kontroll.
Framtida quantum applikationer, speciellt de till vara gränssnitt med höghastighetståg elektronik (för aktuell informationsbearbetning), kräver hög ränta generering av hög renhet photon stater i en kompakt och stabil setup. Vi använder ett system för aktivt läge-låst, kapslade hålighet för att producera QFCs inom telekommunikation S, C och L frekvensband. En mikro-ring är införlivat en större pulsad laser hålighet, med optisk förstärkning (tillhandahålls av en erbium-dopade fiberförstärkare, EDFA) filtreras för att matcha de mikro-ring excitation bandbredd18. Läge-låsning realiseras aktivt via Elektro-optisk modulering av hålighet förluster19. En isolator säkerställer att puls förökning följer en riktning. Resulterande puls tåget har mycket låga kvadratiska medelvärdet (RMS) buller och utställningar avstämbara upprepning priser och puls befogenheter. En hög isolering notch filter avskiljer den utsända QFC fotoner från fältet excitation. Dessa enstaka fotoner leds sedan genom fibrer för kontroll och upptäckt.
Våra system är ett steg mot en hög generation-hastighet, liten-fotavtryck QFC källa, eftersom alla komponenter som används kan potentiellt integreras på ett fotoniska chip. Dessutom är pulsade magnetisering särskilt väl lämpad för quantum applikationer. Först genererar tittar på ett par mikro-cavity resonanser symmetrisk till magnetiseringen, det två-photon stater där varje foton kännetecknas av en enda frekvens läge – central för linjär optiska quantum datoranvändning20. Också, kan flera photon stater genereras genom att flytta till högre makt excitation regimer och välja flera signal-kugghjul par15. Andra, som fotoner sänds i kända tidsfönster som motsvarar den pulsade magnetiseringen, efterbearbetning och gating kan genomföras för att förbättra staten upptäckt. Kanske mest påtagligt, stöder vårt system hög produktion priser av fotonen stater använder harmoniska läge-låsning utan att minska slump-till-oavsiktlig förhållandet (bil) – som kan bana väg för höghastighetståg, Multi-Channel kvantinformation tekniker.
För att demonstrera effekt och genomförbarheten av frekvens-domänen, skall kontroll av QFC staterna utföras i målinriktat sätt, garanterar högeffektiv transformationer och staten konsekvens. För att tillfredsställa dessa krav, använder vi överlappande programmerbara filter och fas modulatorer – etablerade komponenter i telekombranschen. Programmerbara filter kan användas för att införa en godtycklig spektrala amplitud och fas mask på enda fotonerna, med en upplösning som är tillräckliga för att lösa varje frekvens läge individuellt; och electro-optic fas modulatorer drivs av radiofrekvens (RF) Signalgeneratorer underlätta blandning av frekvens komponenter21.
Den viktigaste aspekten av denna kontrollsystem är att det fungerar på alla quantum lägen av fotonerna samtidigt i en enda spatialt läge, med enkel kontrollelement. Öka det Kvantmekaniskt tillstånd dimensionalitet kommer inte att leda till en ökning av setup komplexiteten, i motsats till väg – eller gång-bin entanglement system. Liksom, alla komponenter är externt omkonfigurerbara (menande verksamheten kan ändras utan ändring av inställningarna) och använda befintlig infrastruktur för telekommunikation. Således, befintliga och kommande utvecklingen inom fältet för ultrasnabb optisk bearbetning kan direkt överföras till skalbara kontroll av kvanttillstånd i framtiden.
Sammanfattningsvis, utnyttjande av frekvens-domänen av QFCs stöder hög ränta generering av komplexa kvanttillstånd och deras kontroll, och således är väl lämpad för utnyttjandet av komplexa stater mot praktiska och skalbar kvantteknik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Optisk-frekvensdomänen, via QFCs, är fördelaktigt i quantum-program för en mängd skäl. Verksamheten är globala, agerar på alla stater samtidigt, vilket resulterar i en design som inte skalar i storlek eller komplexitet som staten dimensionalitet ökar. Detta förstärks som komponenterna kan vara Omkonfigurerade on-the-fly utan att ändra inställningarna och kan vara integrerade på-chip genom att utnyttja befintliga och/eller utveckla infrastrukturer för halvledare och telekommunikation. Den generation teknike…
Acknowledgements
Vi tackar R. Helsten för tekniska insikter; P. Kung från QPS Photronics för hjälp och utrustning; samt QuantumOpus och N. Bertone optoelektronik komponenter för deras stöd och för att förse oss med state-of-the-art photon mätapparatur. Detta arbete har gjorts möjlig genom de följande finansieringskällorna: naturvetenskaplig och teknisk forskning rådet av Kanada (NSERC) (Steacie, strategisk, Discovery och Acceleration bidrag system, Vanier Kanada Graduate stipendier, USRA stipendium); Mitacs (IT06530) och PBEEE (207748); MESI fso-SIIRI initiativ; Kanada forskning stol Program; Australiska forskningsprojekt rådets Discovery (DP150104327); EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogrammet under Marie Sklodowska-Curie bevilja (656607); CityU SRG-Fd program (7004189); Forskningsprogrammet strategisk prioritering av den kinesiska vetenskapsakademin (XDB24030300); Programmet människor (Marie Curie Actions) av EU-FP7 programmet under REA bidragsavtalet INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Regeringen i Ryska federationen genom ITMO gemenskap och professur Program (Grant 074-U 01); 1000 talanger Sichuan Program (Kina)
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 |
Referências
- 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).
