توليد ومراقبة متماسكة من الامشاط التردد النبضي الكم
Summary
ويرد بروتوكول لعملية توليد والتلاعب متسقة الأبعاد عالية التردد-بن متشابكاً فوتون الدول استخدام تجاويف الدقيقة المتكاملة والمكونات القياسية الاتصالات السلكية واللاسلكية، على التوالي.
Abstract
نقدم وسيلة لتوليد والتلاعب متماسكة من الامشاط التردد الكم نابض. وحتى الآن، ظلت طرق إعداد الدول عالية ثلاثي الأبعاد في رقاقة بطريقة عملية بعيد المنال بسبب التعقيد المتزايد للدوائر الكم اللازمة لإعداد وتجهيز مثل هذه الدول. هنا، فإننا مخطط متشابكاً، وبن التردد كيف عالية ثلاثي الأبعاد، يمكن أن تتولد الدول اثنين-فوتون بمعدل توليد مستقرة وعالية باستخدام إثارة تجويف متداخلة، بنشاط وضع تأمين تجويف الصغرى غير الخطية. يتم استخدام هذا الأسلوب لإنتاج الامشاط التردد الكم نابض. وعلاوة على ذلك، كيف يمكن أن تكون الدول الكم متماسك ونحن هذا التلاعب باستخدام مكونات الاتصالات السلكية واللاسلكية القياسية مثل المرشحات القابلة للبرمجة والمغيرون الكهرضوئية. على وجه الخصوص، نعرض بالتفصيل كيفية إنجاز القياسات توصيف الدولة مثل التعمير مصفوفة الكثافة وصدفة الكشف وتحديد الطيف فوتون واحد. طرق عرض أساسا موجوداً وإعادة التشكيل، وقابلة للتطوير لبروتوكولات الدولة العليا-الأبعاد المعقدة إعداد والتلاعب في مجال التردد.
Introduction
مراقبة الظواهر الكم يفتح إمكانية التطبيقات الجديدة في ميادين متنوعة كالكم أمن الاتصالات1، تجهيز2، والكم الاستشعار3المعلومات الكم قوية. بينما هي قيد البحث مجموعة متنوعة من الأنظمة الأساسية المادية بنشاط للتحقيقات من الكم التكنولوجيات4، بصري الكم الدول هي المرشحين هامة كما أنها يمكن أن تظهر أوقات طويلة التماسك والاستقرار من الضوضاء الخارجية، ممتازة خصائص الإرسال، فضلا عن التوافق مع القائمة الاتصالات السلكية واللاسلكية وتكنولوجيا السيليكون رقاقة (CMOS).
نحو كامل إمكانات الفوتونات للتكنولوجيات الكم، يمكن زيادة محتوى الدولة تعقيد والمعلومات من خلال استخدام متعددة الأطراف متشابكاً و/أو أبعاد عالية. ومع ذلك، جيل على شريحة من هذه الدول الضوئية تفتقر إلى التطبيق العملي الأجهزة هي معقدة وغير قابلة للتحجيم تماما، و/أو استخدام مكونات متخصصة للغاية. على وجه التحديد، يتطلب تشابك المسار عالية ثلاثي الأبعاد 
مصادر متطابقة متحمس متماسك والدوائر مفصلة لشق شعاع5 (حيث هو أبعاد الدولة)، في حين أن الوقت-تشابك الاحتياجات المعقدة تشكل الذراع متعدد6. بشكل ملحوظ، التردد-المجال مناسبة تماما لتوليد قابلة للتحجيم والسيطرة على الدول معقدة، كما هو موضح باستغلاله مؤخرا في الكم التردد كومز (قطر)7،8 باستخدام مزيج من البصريات المتكاملة و الهياكل الأساسية للاتصالات السلكية واللاسلكية9، ويوفر إطارا واعداً لتكنولوجيات المعلومات الكم مستقبلا.
يتم إنشاء قفكس على شريحة باستخدام التأثيرات البصرية غير الخطية في تجاويف صغيرة متكاملة. استخدام مثل هذه الجزئية غير خطية-مرنان، تصدر الفوتونات متشابكاً اثنين (لاحظ إشارة والمتكاسل) خلط أربعة-موجه عفوية، عبر إفناء اثنين الإثارة الفوتونات-مع زوج الناتجة التي تم إنشاؤها في تراكب في تجويف وسائط تواتر رنانة متباعدة بشكل متساو (الشكل 1). إذا لم يكن هناك اتساق بين أوضاع التردد الفردية، هو دولة ما تردد-بن متشابكاً شكلت10، التي كثيرا ما يشار إليها دولة تأمين وضع فوتون اثنين11. ويمكن وصف هذه الدولة وظيفة الموجه،
هنا، 
و 
المتكاسل طريقة واحدة التردد وإشارة المكونات، على التوالي، و 
هو مطال الاحتمال 
-ال زوج وضع إشارة المتكاسل.
المظاهرات السابقة من قفكس على شريحة إبراز استعمالاتها كمنصات المعلومات الكم قابلة للحياة، وتشمل الامشاط الفوتونات مرتبطة12، الفوتونات الاستقطاب عبر13،14،الفوتونات متشابكاً15 , 16، فوتون متعدد الدول15، والتردد وبن متشابكاً الدول9،17. هنا، نحن نقدم عرضاً مفصلاً لمنهاج قطر وبروتوكول للأبعاد عالية التردد-بن متشابكاً جيل الدولة البصري والتحكم.
تطبيقات الكم مستقبلا، وخصوصا تلك التي يمكن ربطه مع الإلكترونيات عالية السرعة (لتجهيز المعلومات في الوقت المناسب)، الطلب الجيل نسبة عالية من الدول فوتون عالي النقاء في إعداد الاتفاق ومستقرة. نستخدم نظام تجويف بنشاط وضع غير الساحلية، والمتداخلة لإنتاج قفكس داخل نطاقات التردد S و C و L الاتصالات السلكية واللاسلكية. هو إدماج الصغرى-خاتم أكبر ليزر النبضي تجويف، مع اكتساب الضوئية (المقدمة من ألياف الاربيوم يخدر مكبر للصوت، أدفأ) تمت تصفيتها لمطابقة عرض النطاق الترددي الإثارة الصغير-حلقة18. تأمين وضع نشاط يتحقق عن طريق التحوير الكهرضوئية خسائر تجويف19. ويضمن المعزل أن إكثار نبض يتبع اتجاه واحد. قطار نبض الناتجة عن الضوضاء منخفضة جداً جذر متوسط مربع (RMS) ويسلك معدلات الرسوب الانضباطي والنبض القوى. عامل تصفية درجة عالية من عزلة تفصل قطر الفوتونات المنبعثة من مجال الإثارة. وتسترشد هذه الفوتونات واحد ثم عن طريق الألياف لمراقبة وكشف.
لدينا مخطط خطوة نحو جيل-معدل مرتفع، مصدر قطر الصغيرة البصمة، كما يمكن يحتمل أن دمج جميع المكونات المستخدمة على رقاقة الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، الإثارة نابض خاصة مناسبة تماما لتطبيقات الكم. أولاً، يبحث في زوج من الأصداء الدقيقة-تجويف متماثل إلى الإثارة، فإنه ينشئ اثنين-فوتون الدول حيث تتميز كل فوتون بوضع التردد واحد – مركزية الكم الضوئي الخطي الحوسبة20. كذلك، يمكن أن تتولد الدول المتعددة فوتون بالانتقال إلى نظم الإثارة السلطة العليا وتحديد عدة أزواج المتكاسل إشارة15. وثانيا، كما تنبعث الفوتونات في الإطارات الزمنية المعروفة المقابلة للإثارة نابض، يمكن تنفيذها بعد المعالجة والنابضة لتحسين الكشف عن الدولة. ربما الأهم من ذلك، لدينا نظام يدعم معدلات توليد عالية من الدول فوتون باستخدام تأمين وضع متناسق دون تخفيض نسبة مصادفة لعرضي (سيارات)–التي يمكن أن تمهد الطريق للمعلومات الكم عالية السرعة، ومتعدد القنوات التكنولوجيات.
يجب أن يتم سيطرة الدول قطر لإثبات أثر وجدوى مجال التردد، بطرق محددة الأهداف، ضمان التحولات ذات كفاءة عالية وتماسك الدولة. لتلبية هذه الاحتياجات، نستخدم مرشحات للبرمجة متعاقب والمرحلة المغيرون – مكونات المنشأة في صناعة الاتصالات السلكية واللاسلكية. يمكن استخدام مرشحات للبرمجة لتفرض السعة الطيفية التعسفي وقناع المرحلة على الفوتونات واحدة، بدقة كافية لمعالجة وضع التردد كل على حدة؛ وتسهيل المرحلة الكهرضوئية المغيرون مدفوعا بمولدات الإشارات تردد الراديو (RF) خلط مكونات تردد21.
الجانب الأكثر أهمية من نظام المراقبة هذا أنها تعمل على جميع وسائط الكم من الفوتونات في وقت واحد في وضع مكانية واحد، باستخدام عناصر تحكم واحد. زيادة أبعاد حالة كمومية لن يؤدي إلى زيادة تعقيد الإعداد، على عكس مسار أو الوقت بن شرك مخططات. كذلك، يتم كافة مكونات إعادة التشكيل خارجياً (معنى يمكن تغيير العمليات دون تعديل الإعداد)، واستخدام الهياكل الأساسية للاتصالات السلكية واللاسلكية الموجودة. وهكذا، التطورات الحالية والمقبلة في المجال المعالجة الضوئية فائق السرعة يمكن مباشرة نقل قابلة مراقبة الدول الكم في المستقبل.
وباختصار، استغلال مجال التردد من قفكس يدعم ارتفاع معدل توليد معقدة الكم الدول وسيطرتها، وهو بالتالي مناسبة تماما لتسخير الدول معقدة نحو التكنولوجيات الكم عملية وقابلة.
Protocol
Representative Results
Discussion
مجال التردد البصري، عن طريق قفكس، مفيد في تطبيقات الكم لمجموعة من الأسباب. العمليات العالمية، بالنيابة عن جميع الدول في وقت واحد، مما يؤدي إلى تصميم مقياس لا في حجمها أو تعقيدها كما يزيد من أبعاد الدولة. وتتعزز هذه المكونات يمكن أن تكون المعاد تشكيلها على ذبابة دون تغيير الإعداد وهي قادرة …
Acknowledgements
ونحن نشكر هيلستين R. للرؤى الفنية؛ ص الكونغ من “فوترونيكس وفقا” للتعليمات ومعدات التجهيز؛ وكذلك كوانتوموبوس وبيرتوني نون من “مكونات الإلكترونيات الضوئية” على دعمهم وعلى تزويدنا فوتون الدولة من أحدث معدات الكشف. هذا العمل ممكناً بمصادر التمويل التالية: العلوم الطبيعية والهندسة بحوث المجلس من كندا (مقدمة) (ستيسي، الاستراتيجية، واكتشاف، وتسارع مخططات المنح، فانييه كندا منح الدراسات العليا، يسرا المنح الدراسية)؛ ميتكس (IT06530) وبب (207748)؛ ميسيتش PSR-سييري المبادرة؛ برنامج كرسي أبحاث كندا؛ مشاريع اكتشاف مجلس البحوث الأسترالية (DP150104327)؛ منح الاتحاد الأوروبي في أفق 2020 البحث والابتكار برنامج تحت ماري سكلودوفسكا كوري (656607)؛ برنامج تقيما سورينامي-Fd (7004189)؛ برنامج البحوث ذات الأولوية الاستراتيجية للأكاديمية الصينية للعلوم (XDB24030300)؛ برنامج الشعب (ماري كوري الإجراءات) برنامج FP7 للاتحاد الأوروبي في إطار المنحة ريا INCIPIT (بيوف-GA-2013-625466)؛ حكومة الاتحاد الروسي من خلال الزمالات الدراسية إيتمو وبرنامج الأستاذية (منحة 01 074-U)؛ 1000 برنامج المواهب سيتشوان (الصين)
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 |
References
- 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).
