Vi beskriver et optisk system for generering av ubetinget polarisering-viklet fotoner basert på flere Quantum forstyrrelser effekter med en deteksjon ordning for å anslå eksperimentell troskap generert viklet fotoner.
Vi presenterer en høy-ytelse kilde til betingelsesløs polarisering-viklet fotoner som har en høy-utslipp rate, en bredbånds distribusjon, er utartet og postselection gratis. Egenskapen for kilden er basert på flere kvante forstyrrelser effekt med en rundtur konfigurasjon av en Sagnac interferometer. The Quantum interferens effekter gjør det mulig å bruke høy generasjons effektiviteten av polarisering-viklet fotoner å behandle parametrisk ned-konvertering, og separate utartet Foton parene i ulike optiske moduser uten en postselection Kravet. Prinsippet for det optiske systemet ble beskrevet og eksperimentelt brukes til å måle troskap og Bell parametre, og også for å karakterisere den genererte polarisering-viklet inn fotoner fra minimum seks kombinasjoner av polarisering korrelert data. Den eksperimentelt innhentet troskap og Bell parametre overskredet den klassiske lokale korrelasjon grensen og er klare bevis for generering av ubetinget polarisering-viklet inn fotoner.
Den viklet staten fotoner har tiltrukket seg stor interesse for studiet av lokal realisme i kvanteteorien og romanen anvendelser av Quantum kryptografi1, Quantum tett koding2, Quantum repeater3, og Quantum teleportering4. Spontan parametrisk ned-konvertering (SPDC) er en andre-Order ikke-lineær prosess som har blitt introdusert til direkte produsere viklet Foton parene i polarisering statene. På grunn av den nylige utviklingen i kvasi-fase-samsvarende teknikker, den periodisk staking KTiOPO4 (ppKTP) og LiNbO3 (ppLN) har blitt en standard teknikk5. Flere typer forviklinger kilder er utviklet ved å kombinere disse ikke-lineære krystaller med en Sagnac interferometer6,7,8. Spesielt, ordningen med ortogonalt polarisert Foton parene innhentet av type-II SPDC gjør det mulig å generere ubetinget polarisering-viklet fotoner og også separate utartet polarisering-viklet Foton parene i ulike optiske moduser uten postselective deteksjon7.
I kontrast, type-0 SPDC har fordelen av et enkelt oppsett og en høy-utslipp ratio av Foton par9. Dessuten, det utviklet Foton parene inne type-0 SPDC viser en mange bredere båndbredden enn fotoner av type-II SPDC. Den totale Foton-pair produksjonsrate per enhet pumpe makt er to størrelsesordener høyere på grunn av sin store båndbredde8. En stor båndbredden av korrelert Foton parene innrømmer en meget kort tilfeldighet tid imellom det oppdaget Foton parene. Denne egenskapen har ført til flere potensielle applikasjoner som Quantum optiske sammenheng tomografi10, for å oppnå UltraShort timelige sammenhenger gjennom ikke-lineær interaksjon med strømmen av viklet inn fotoner11, metrologi metoder ved hjelp av svært smale dukkert i Quantum interferens12, Quantum Klokkesynkronisering13, time-frekvens forviklinger måling14, og multimode frekvens forviklinger15. Men ordningen med vanlige type-0 SPDC krever betinget gjenkjenning ordninger6 eller bølgelengde filtrering8 eller romlig-modus filtrering for å skille den genererte polarisering-viklet inn fotoner16.
Vi innså en ordning som tilfredsstiller egenskapene til både type-0 og type-II SPDC samtidig basert på flere kvante forstyrrelser prosesser17. Detaljene i det optiske systemet ble beskrevet og eksperimentelt brukes til å måle parametrene som karakteriserer de genererte polarisering-viklet fotoner ved hjelp av et minimum antall eksperimentelle data.
The Jones Vector av horisontal (H) og vertikal (V) polarisering staten kan skrives som og.
Alle mulige rene polarisering stater er konstruert av sammenhengende superpositions av disse to polarisering stater. For eksempel representeres diagonal (D), anti-diagonal (A), høyre-sirkulære (R) og venstre-sirkulære (L) lys:
,
, (1)
Og
,
H og V kalles rettlinjet polarisering baser. D og A kalles Diagonal polarisering baser. R og L kalles sirkulær polarisering baser. Disse rene og også blandede tilstander av polarisering kan representeres av tetthet matriser basert på H-og V-polarisering baser18.
Drifts prinsippet for ordningen er vist i figur 1a-e. Laseren injiseres i en polarisering Sagnac interferometer består av en polarisert stråle splitter (PBS), to halv-bølge plater satt til 45o (HWP1) og 22,5o (HWP2), en ppKTP krystall, og speil. Den polarisering optikk med dette oppsettet arbeidet for både Bølgelengden av pumpen laser feltet og ned-konvertert fotoner.
H-komponenten til pumpe laseren passerer gjennom PBS som vist i figur 1a og runde turer oppsettet i en klokke (CW) retning. Polarisering av pumpen laser var invertert til diagonal (D) tilstand gjennom HWP2. Her V-komponenten av pumpen laseren fungerer for ned-konvertering, og de genererte fotoner er V-polarisert med type-0 SPDC. Den SPDC polarisering tilstand generert Foton parene kan representeres som:
. 2
Den ned-konverterte Foton parene er H-polarisert gjennom HWP1 satt til 45o som vist i figur 1B, og polarisering staten blir:
. 3
Pumpen laserstrålen igjen injisert den omvendte Foton parene i ppKTP. Det utviklet Foton parene fra sekundet SPDC er begge to V-polarisert og superposed med det Foton parene utviklet av det for det første SPDC for en kollineare optisk måte idet vist skikkelsen 1C. Polarisering tilstand av Foton parene etter den andre SPDC er representert som:
4
hvor er den relative fasen mellom Foton paret fra første og andre SPDC. Fasen varierer ikke med tiden fordi det er bestemt av HWP1’s materiale dispersjon mellom pumpen laser og ned-konverterte fotoner, og justerbar ved å vippe HWP1. H (V)-polarisering tilstand av ned-konverterte fotoner var invertert til A (D) tilstand som vist i (1). Den polarisering tilstand av output Foton par fra HWP2 er representert som:
5
Når fasen er satt ved å vippe HWP1, gjenstår bare den første perioden av staten (5) som vist i figur 1d. Dette er kvante forstyrrelser prosessen som tilsvarer den omvendte Hong-ou-mandel (HOM) forstyrrelser prosessen av polarisering baser19. Når H-Foton går gjennom PBS og V-Foton gjenspeiles av PBS, polarisering tilstand av output Foton parene fra PBS er representert som
for optiske Mode1 og 2 som vist i figur 1e.
Motsatt, V-komponenten av pumpen laser ble reflektert av PBS som vist i figur 1F og runde utløst i en mot urviseren (mot venstre) retning. Gjennom lignende flere type-0 SPDC prosesser og unitary transformasjoner, polarisering tilstand utdataene fra PBS blir . Når polarisering tilstand pumpen laser ble utarbeidet i diagonal (D) tilstand, den relative fase mellom H-og V-komponenter av pumpen laseren var null. Derfor er utdata-status generert fotoner fra CW og mot klokken superposed med samme amplituder og representert som:
. 6
Output staten er en polarisering-viklet tilstand kjent som en av de Bell statene og kan konverteres til andre tre stater ved hjelp av polarisering optikk elementer7. Ved hjelp av relasjonen vist i (1), kan utgangs tilstanden representeres av diagonale polarisering baser som:
og ved sirkulær polarisering baser som:
.
Det kritiske trinnet i protokollen er hvordan å maksimere troskap av de genererte polarisering viklet fotoner. Den estimerte troskap og Bell parametrene er foreløpig begrenset, hovedsakelig fordi vi brukte multimode fibre for å samle den genererte viklet fotoner. Den vippe av HWP1 påvirket Høydeforskjellen i romlige moduser mellom fotoner av første og andre SPDC og forårsaket en romlig-modus feil på utdataene for Sagnac interferometer. Gjengivelsen er forventet å være høyere når du bruker single-modus fibre som filtrerer ut den romlige-modus-overlappende området av den genererte første og andre SPDC fotoner. Videre påvirket den birefringence effekten av ppKTP krystall modus ikke samsvar mellom første og andre SPDC fotoner. I fremtiden kan vi muligens forbedre parametrene ved hjelp av ekstra kompensasjon krystaller.
Betydningen av protokollen er å realisere flere egenskaper samtidig med hensyn til eksisterende metode. Kilden til polarisering viklet fotoner med protokollen har en høy-utslipp rente, er fordervet, har en bredbånds distribusjon, og er etter utvalg gratis. Den karakteristiske fordelen med protokollen er basert på flere Quantum forstyrrelser ved hjelp av en dobbel-pass polarisering Sagnac interferometer. Fotoniske systemet gjør det mulig å bruke den store generasjonen effektiviteten av polarisering viklet fotoner og å skille fordervet Foton parene i ulike optiske moduser uten krav om postselection. Systemet med høy ytelse polarisering viklet fotoner kan anvendes for romanen fotoniske Quantum Information Technologies1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble støttet av Research Foundation for opto-Science and Technology, Japan. Vi takker til Dr. Tomo Osada for nyttige diskusjoner.
300mm fous lens | Thorlabs. INC. | AC254-300-B | |
405nm LD | Digi-Key Electronics | NV4V31SF-A-ND | |
Delay line | Ortec INC. | DB463 | |
Dichroic mirror (DM) | Midwest Optical Systems INC. | SP650-25.4 | |
Half-wave plate (HWP) for 405nm | Thorlabs. INC. | WPH05M-405 | |
Half-wave plate (HWP) for dual wavelengths | Meadowlark Co. | DHHM-100-0405/0810 | |
Interference filter (IF) | IDEX Health & Science, LLC | LL01-808-12.5 | |
Multi-channel analyzer (MCA) | Ortec INC. | EASY-MCA-2K | MAESTRO-32 software |
Polarization-maintaining fiber | Thorlabs. INC. | P1-405BPM-FC-1 | |
Polarizer (POL) | Meadowlark Co. | G335743000 | |
ppKTP crystal | RAICOL CRYSTAL LTD. | Type-0, 3.425 microns period | |
Quarter-wave plate (QWP) for 808nm | Thorlabs. INC. | WPQ05M-808 | |
Quarter-wave plate (QWP) for 405nm | Thorlabs. INC. | WPQ05M-405 | |
Retroreflector | Newport Co. | U-BER 1-1S | |
Single photon counting Module (SPCM) | Laser Cpmponents LTD. | Count -100C-FC | FC connecting |
Time-to-amplitude converter (TAC) | Ortec INC. | 567 |