Ingeniería de la Luz con la onda continua Optical Parametric Oscillators Estado Quantum

Summary

Se describe la generación confiable de estados no gaussiana de viajar campos ópticos, incluidos los estados de fotón único y superposiciones estatales coherentes, utilizando un método de preparación condicional empleados en la luz no clásica emitida por osciladores paramétricos ópticos. Osciladores emparejados eliminación de tipo I y de tipo II son considerados y procedimientos comunes, como el filtrado de frecuencia requerida o la alta eficiencia caracterización estado cuántico por homodyning, se detallan.

Abstract

Ingeniería de los estados no clásicos del campo electromagnético es una búsqueda central de la óptica cuántica ^1,2. Más allá de su importancia fundamental, tales estados son de hecho los recursos para la implementación de varios protocolos, que van desde mejorar la metrología para la comunicación cuántica y la computación. Una variedad de dispositivos se puede utilizar para generar estados no clásicos, como emisores individuales, interfaces luz-materia o sistemas no lineales ^3. Nos centramos aquí en el uso de un oscilador paramétrico óptico de onda continua ^{de 3,4.} Este sistema está basado en un cristal de ² χ no lineal insertado dentro de una cavidad óptica y es ahora bien conocido como una fuente muy eficiente de la luz no clásica, como en modo individual o de dos modos vacío comprimido dependiendo del cristal la adaptación de fase.
Vacío comprimido es un estado de Gauss como sus distribuciones cuadratura siguen una estadística de Gauss. Sin embargo, se ha demostrado que el número de protocolos requieren no Gaussian dice ^5. Generar directamente tales estados es una tarea difícil y requeriría fuerte χ ³ no linealidades. Otro procedimiento, probabilístico sino anunciada, consiste en utilizar un no-linealidad inducida medición a través de una técnica de preparación condicional empleados en estados Gaussianos. Aquí detallamos protocolo de esta generación de dos estados no gaussiana, el estado de fotón único y una superposición de estados coherentes, utilizando dos osciladores paramétricos diferente fase de concordancia como recursos primarios. Esta técnica permite la consecución de una alta fidelidad con el estado objetivo y la generación del estado en un modo de espacio-temporal bien controlada.

Introduction

La capacidad de diseñar el estado cuántico de viajar campos ópticos es un requisito fundamental para la ciencia de la información cuántica y la tecnología ^1, incluyendo la comunicación cuántica, computación y metrología. Aquí, se discute la preparación y caracterización de algunos estados cuánticos específicos utilizando como recurso principal la luz emitida por la onda continua osciladores paramétricos ópticos ^3,4 operados por debajo del umbral. En concreto, dos sistemas serán consideradas – un OPO emparejado fase de tipo-II y un tipo-I OPO – permitiendo respectivamente la generación confiable de fotones individuales anunciadas y de superposiciones ópticos coherentes estatales (CSS), es decir, los estados de la forma | α > – | α->. Estos estados son recursos importantes para la implementación de una variedad de protocolos de información cuántica, que van desde la computación cuántica óptica lineal ^{de 6} a protocolos híbridos ópticos ^5,7. Significativamente, el método de p resentido aquí permite la obtención de una mezcla de bajo vacío y la emisión a un modo de espacio-temporal bien controlada.

En términos generales, los estados cuánticos se pueden clasificar como estados Gaussianos y los estados no gaussiana de acuerdo con la forma de la distribución cuasi-probabilidad en el espacio de fase se llama la función de Wigner W (x, p) ^8. Para los estados no gaussiana, la función de Wigner puede tomar valores negativos, una fuerte firma de la no-clasicismo. Único fotón o superposiciones estatales coherentes son de hecho los estados no Gaussianos.

Un procedimiento eficaz para la generación de tales estados se conoce como la técnica de preparación condicional, donde un recurso gaussiana inicial se combina con una denominada medición no gaussiana como ^{9,10,11,12,13} recuento de fotones. Este esquema general, probabilístico sino anunciada, es esbozada en la Figura 1a.

"Fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg "/>
Figura 1. (A) Esquema conceptual de la técnica de preparación condicional. (B) preparación condicional de estado de fotón único de pares de fotones polarizados ortogonalmente-OPO (tipo II) separó en un divisor de haz polarizante. (C) preparación condicional de una superposición estado coherente restando un solo fotón a partir de un estado de vacío exprimido (tipo I OPO).

Mediante la medición de un modo de un estado entrelazado bipartito, el otro modo se proyecta en un estado que depende de esta medida, y que los recursos enredado inicial ^12,13.

¿Cuáles son los recursos necesarios, y el detector anunciando necesaria para generar los estados antes mencionados? Estados de fotón único se pueden generar utilizando vigas dobles, es decir, de fotones número correlacionado vigas. La detección de una sola p-Hoton en un modo de entonces anuncia la generación de un único fotón en el otro modo de ^9,10,14,15. Una frecuencia-degenerada de tipo II OPO ^16,17,18,19 es de hecho una fuente muy adecuado para este propósito. Señal y locas fotones son fotones número correlacionados y emiten con polarizaciones ortogonales. La detección de un único fotón en un modo de polarización proyecta el otro en un estado de fotón único, como se muestra en la Figura 1b.

En cuanto a superposiciones estatales coherentes, que pueden ser generados por restando un único fotón de un estado vacío comprimido ²⁰ obtenida ya sea por paramétrico de un solo paso de impulsos de conversión descendente ^11,21 o por una de tipo I OPO ^22,23. La resta se realiza pulsando una pequeña fracción de la luz en un divisor de haz y la detección de un único fotón en este modo (Figura 1c). Un vacío comprimido es una superposición de estados de fotones incluso numéricas, restando así un plomos de fotón únicoa una superposición de estados de fotón-número impar, que tiene una alta fidelidad con una superposición lineal de dos estados coherentes de amplitud igual y pequeña. Por esta razón, el nombre de "Schrödinger gatito" a veces se le ha dado a este estado.

El procedimiento general para la generación de estos estados es por lo tanto similar, pero difiere por la fuente de luz principal. Filtrado de la trayectoria y la detección de las técnicas que anuncia son los mismos sea cual sea el tipo de OPO utiliza. La presente serie de protocolos de detalle cómo generar estos dos estados no gaussiana de osciladores paramétricos ópticos de onda continua y cómo caracterizarlas con alta eficiencia.

Protocol

1. Óptico paramétrico Oscilador Construir un 4 cm de largo cavidad lineal semimonolithic (para mejorar la estabilidad mecánica y las pérdidas intracavitarios reducidas). El espejo de entrada está recubierta directamente sobre una cara del cristal no lineal. Elija un acoplador de entrada de reflexión de 95% para la bomba a 532 nm y de alta reflexión de la señal y la polea loca en 1064 nm. A la inversa, elegir el acoplador de salida a ser altamente reflectante para la bomba y de la transmitanc…

Representative Results

Para el OPO tipo II y la generación de alta fidelidad estado solo fotón: La reconstrucción tomográfica del estado anunciado se muestra en la Figura 2, donde se muestran los elementos de la diagonal de la matriz de densidad reconstruida y la función de Wigner correspondiente. Sin ningún tipo de correcciones de pérdida, el estado anunciada exhibe un componente de un solo fotón tan alta como 78%. Al tomar en cuenta las pérdidas de detección general (15%), el estado alcanza una fidelidad de…

Discussion

La técnica de preparación condicional que se presenta aquí es siempre una interacción entre el recurso bipartita inicial y la medición realizada por el detector de heraldo. Estos dos componentes influyen fuertemente en las propiedades cuánticas de la situación generada.

En primer lugar, la pureza de los estados preparados depende en gran medida de la del recurso inicial, por lo que se requiere una "buena" OPO. ¿Qué es un "buen" OPO? Se trata de un dispositivo par…

Materials

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