JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Generation og sammenhængende kontrol af pulserende Quantum frekvens kamme

Published: June 08, 2018
doi:
10.3791/57517
, , , , , , , , , , , , , ,
1Institut National de la Recherche Scientifique – Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications (INRS-EMT), 2School of Engineering,University of Glasgow, 3Department of Energy, Information Engineering and Mathematical Models,University of Palermo, 4School of Mathematical and Physical Sciences,University of Sussex, 5Department of Physics and Material Science,City University of Hong Kong, 6State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Science, 7Centre for Micro Photonics,Swinburne University of Technology, 8Institute of Photonics, Department of Physics,University of Strathclyde, 9Institute of Fundamental and Frontier Sciences,University of Electronic Science and Technology of China, 10National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics

Summary

En protokol, der er præsenteret for praktiske generation og sammenhængende manipulation af høj-dimensionelle frekvens-bin viklet photon stater ved hjælp af integrerede mikro-huller i tænderne og standard telekommunikation komponenter, henholdsvis.

Abstract

Vi præsenterer en metode til generation og sammenhængende manipulation af pulserende quantum frekvens kamme. Indtil nu har metoder til at forberede high-dimensionelle stater på chip på en praktisk måde forblev undvigende på grund af den stigende kompleksitet af quantum kredsløb kræves for at udarbejde og behandle sådanne stater. Her, vi skitsere hvordan high-dimensionelle, frekvens-bin viklet ind, to-foton stater kan genereres på en stabil, høj generation sats ved hjælp af et indlejret hulrum, aktivt mode-låst excitation af en ikke-lineær mikro-hulrum. Denne teknik bruges til at producere pulserende quantum frekvens kamme. Desuden præsenterer vi hvordan quantum stater kan være sammenhængende manipuleres ved hjælp af standard telekommunikation komponenter såsom programmerbare filtre og elektro-optisk modulatorer. Navnlig viser vi i detaljer hvordan man opnå stat karakterisering målinger såsom massefylde matrix genopbygning, tilfældighed påvisning og enkelt foton spektrum beslutsomhed. De præsenterede metoder danne en tilgængelig, omkonfigurerbare og skalerbar fundament for komplekse high-dimensionelle tilstand forberedelse og manipulation protokoller i frekvens domæne.

Introduction

Kontrol af quantum fænomener åbner mulighed for nye applikationer på områder så forskellige som sikker quantum kommunikation1, kraftfulde quantum informationsbehandling2og quantum sensing3. Mens en række fysiske platforme er aktivt ved at blive undersøgt for erkendelser af quantum technologies4, er optisk quantum stater vigtige kandidater, som de kan udstille lang sammenhæng gange og stabilitet fra ekstern støj, fremragende transmission egenskaber, såvel som kompatibilitet med eksisterende telekommunikation og silicium-chip (CMOS) teknologier.

Hen imod fuldt ud at realisere potentialet af fotoner for quantum technologies, kan staten kompleksitet og information indhold øges ved hjælp af flere indfiltrede parterne og/eller høj-dimensionalitet. På chip generation af optisk egne mangler imidlertid praktiske som opsætninger er kompliceret og ikke helt skalerbar og/eller bruge højt specialiserede komponenter. Specifikt, høj-dimensionelle sti-entanglement kræver Equation 01 sammenhængende ophidset identiske kilder og udarbejde kredsløb af stråle-splittere5 (hvor Equation 01 er staten dimensionalitet), mens tid-entanglement behov for komplekse multi arm interferometre6. Bemærkelsesværdigt, frekvens-domænet er velegnet til skalerbare produktion og kontrol af komplekse stater, som det fremgår af dens seneste udnyttelse i quantum frekvens kamme (QFC)7,8 ved hjælp af en kombination af integreret optik og telekommunikation infrastrukturer9, og er en lovende ramme for fremtidige quantum informationsteknologier.

På chip QFCs genereres ved hjælp af ulineære optiske effekter i integrerede mikro-huller i tænderne. Bruge sådan en ikke-lineær mikro-resonator, er to sammenfiltrede fotoner (noteret som signal og stjernehjul) produceret af spontan fire-bølge blanding, via udslettelse af to excitation fotoner – med den deraf følgende par genereret i en superposition af hulrummet jævnt fordelte resonant frekvens tilstande (figur 1). Hvis der er sammenhæng mellem de enkelte frekvens tilstande, er en frekvens-bin viklet stat dannet10, som ofte omtales som en mode-låst to photon stat11. Denne stat bølge-funktion kan beskrives ved,

Equation 02

Her, Equation 03 og Equation 04 er single-frekvens-mode stjernehjul og signalere komponenter, henholdsvis, og Equation 05 er sandsynlighed amplituden til den Equation 06 -th signal-stjernehjul tilstand par.

Tidligere demonstrationer af-chip QFCs fremhæve deres alsidighed som levedygtige quantum informationsplatforme, og medtage kamme korreleret fotoner12, cross-polariserede fotoner13, indfiltrede fotoner14,15 , 16, multi photon hedder15, og frekvens-bin viklet stater9,17. Her, vi giver en detaljeret oversigt over QFC platform og en protokol for high-dimensionelle frekvens-bin viklet optisk stat generation og kontrol.

Fremtidige quantum programmer, især dem til at være forbundet med højhastighedstog elektronik (for rettidig information processing), kræver den high-rate generation af høj renhed photon stater i en kompakt og stabil opsætning. Vi bruger en aktiv tilstand-låst, indlejrede hulrum ordning til at producere QFCs inden for telekommunikation S, C og L frekvensbånd. En mikro-ring er indarbejdet i en større pulserende laser hulrum, med optisk gevinst (leveres af forstærkeren erbium dopede fiber, EDFA) filtreret for at matche de mikro-ring excitation båndbredde18. Låsning af mode er aktivt realiseret via elektro-optisk graduering af hulrum tab19. En isolator sikrer, at pulsen formering følger en enkelt retning. Den resulterende puls tog har meget lav root mean square (RMS) støj og udstiller afstemmelige gentagelse satser og puls beføjelser. En høj isolation notch filter adskiller de udsendte QFC fotoner fra feltet excitation. Disse enkelt fotoner er så styret gennem fibre til kontrol og registrering.

Vores ordning er et skridt i retning af en generation-høj, små-fodaftryk QFC kilde, som alle komponenter, der anvendes kan potentielt blive integreret på en fotoniske chip. Derudover er pulserende excitation især velegnet til quantum applikationer. Først genererer ser på et par af mikro-hulrum resonanser symmetrisk til excitation, det to-foton stater hvor hver foton er kendetegnet ved en enkelt frekvens tilstand – central for lineær optisk kvantecomputere20. Samt, kan multi photon stater blive genereret ved flytning til højere magt excitation regimer og vælge flere signal-stjernehjul par15. Andet, som fotoner der udledes i kendte tidsvinduer svarende til den pulserende excitation, efterbehandling og gating kan gennemføres for at forbedre stat påvisning. Måske mest markant understøtter vores ordning høj generation satser af photon stater bruger harmoniske låsning af mode uden at reducere tilfældighed at utilsigtet forholdet (bil) – som kunne bane vejen for højhastighedstog, multi-kanal quantum oplysninger teknologier.

For at demonstrere virkning og gennemførligheden af domænet frekvens, skal kontrol af QFC stater ske i målrettede måder, at sikre højeffektive transformationer og staten sammenhæng. For at opfylde sådanne krav, bruger vi overlappende programmerbare filtre og fase modulatorer – etablerede komponenter i telekommunikationsindustrien. Programmerbare filtre kan bruges til at pålægge en vilkårlig spektrale amplitude og fase maske på de enkelte fotoner, med en opløsning, der er tilstrækkelige til at løse hver frekvens tilstand individuelt; og elektro-optisk fase modulatorer drevet af radiofrekvens (RF) signal generatorer lette blanding af frekvens komponenter21.

Det vigtigste aspekt af denne kontrol-ordningen er, at det fungerer på alle quantum tilstande af fotoner samtidig i en enkelt fysisk tilstand, ved hjælp af samme betjeningsorgan elementer. Stigende quantum stat dimensionalitet vil ikke føre til en stigning i Opsætningens detaljeringsgrad, i modsætning til vej – eller gang-bin entanglement ordninger. Så godt alle komponenter er eksternt omkonfigurerbare (dvs. operationerne kan blive ændret uden ændring af opsætningen) og bruge eksisterende telekommunikationsinfrastruktur. Således, eksisterende og kommende udvikling inden for ultrahurtig optisk forarbejdning kan direkte overføres til den skalerbare kontrol af quantum stater i fremtiden.

I Resumé, udnyttelse af frekvens-domæne af QFCs understøtter high-rate generation af komplekse quantum stater og deres kontrol, og er således velegnet til udnyttelse af komplekse stater mod praktiske og skalerbar quantum technologies.

Protocol

1. generation af High-dimensionelle frekvens-bin viklet stater via pulserende magnetisering Efter ordningen skitseret i figur 2 (Generation fase), tilslutning af hver komponent ved hjælp af opretholdelse af polarisering optiske fibre (for bedre miljømæssige stabilitet). Tilslutte en strømforsyning til elektro-optisk amplitude modulator og anvende en DC spænding offset, tuning forskydningsværdien indtil den optiske effekt overføres via det er cirka halveret (målt v…

Representative Results

Den skitserede ordning til produktion og kontrol af høj-dimensionelle frekvens-bin stater (baseret på excitation af ulineære mikro-huller, figur 1) er vist i figur 2. Denne installation bruger standard telekommunikation komponenter og er meget fleksible i den photon produktionen og forarbejdningen anvendes. Figur 3 viser en karakterisering af ordningen generation gennem tilfældigt sats og bil som…

Discussion

Den optiske frekvens-domæne, via QFCs, er fordelagtige i quantum ansøgninger om et væld af grunde. Operationer er globale, handler på alle medlemsstaternes samtidigt, hvilket resulterer i et design, der ikke skala i størrelse eller kompleksitet som staten dimensionalitet stigninger. Dette forstærkes som komponenterne kan være omkonfigureret på-den-flue uden at ændre opsætningen og er i stand til at blive integreret på chippen ved at udnytte eksisterende og/eller udvikle halvleder-og telekommunikationsinfrastru…

Acknowledgements

Vi takker R. Helsten for teknisk indsigt; P. Kung fra QPS Photronics for hjælp og udstyr; samt QuantumOpus og N. Bertone Optoelektronik komponenter for deres støtte og for at forsyne os med state-of-the-art photon detection udstyr. Dette arbejde var gjort muligt af de følgende finansieringskilder: Naturvidenskab og teknisk forskning Rådet i Canada (NSERC) (Steacie, strategiske, Discovery og Acceleration tilskud ordninger, Vanier Canada ph.d. stipendier, USRA legat); Mitacs (IT06530) og PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI initiativ; Canada forskning stol Program; Australsk forskning Rådets Discovery projekter (DP150104327); EUs Horisont 2020 forskning og innovation program under Marie Sklodowska-Curie tilskud (656607); CityU SRG-Fd program (7004189); Strategiske prioritet Research Program af kinesiske Academy of Sciences (XDB24030300); Mennesker-programmet (Marie Curie-aktioner) af EUs RP7 program under REA tilskudsaftalen INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Regeringen for den russiske Føderation gennem ITMO Fellowship og professorprogram (Grant 074-U 01); 1000 talenter 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
  2. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
  3. Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604 (2014).
  4. Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O’Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
  5. 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).
  6. Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93 (2004).
  7. Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
  8. 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).
  9. Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
  10. Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
  11. Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
  12. Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
  13. Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236 (2015).
  14. Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
  15. Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
  16. Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731 (2016).
  17. Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62 (19), (2017).
  18. Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940 (2017).
  19. Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
  20. Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
  21. 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).
  22. . Finisar WaveShaper Software Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018)
  23. 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).
  24. Stocklin, F. . Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
  25. Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. . Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
  26. 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).
  27. Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100 (2017).
  28. 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).
  29. Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884 (2015).
  30. Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413 (2011).
  31. 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).
  32. Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182 (1992).
  33. Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).

Tags

Keywords: Pulsed Quantum Frequency CombsQuantum Information ProcessingTelecommunications ComponentsMicro-ring ResonatorElectro-optic Amplitude ModulatorErbium-doped Fiber AmplifierFour-wave Mixing
check_url/57517?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
MacLellan, B., Roztocki, P., Kues, M., Reimer, C., Romero Cortés, L., Zhang, Y., Sciara, S., Wetzel, B., Cino, A., Chu, S. T., Little, B. E., Moss, D. J., Caspani, L., Azaña, J., Morandotti, R. Generation and Coherent Control of Pulsed Quantum Frequency Combs. J. Vis. Exp. (136), e57517, doi:10.3791/57517 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image