Generation und kohärente Steuerung der gepulsten Quantum Frequenzkämmen
Summary
Ein Protokoll ist für die praktische Erzeugung und kohärente Manipulation von hochdimensionalen Frequenz-bin verstrickt Photon Staaten mit integrierten Mikro-Hohlräumen und standard Telekommunikation Komponenten bzw. vorgestellt.
Abstract
Wir präsentieren eine Methode zur Erzeugung und kohärente Manipulation von Frequenzkämmen gepulster Quanten. Bis jetzt sind Methoden zur Vorbereitung hochdimensionalen Staaten auf Chip auf praktische Weise schwer aufgrund der zunehmenden Komplexität der Quanten-Schaltung zur Vorbereitung und Verarbeitung solcher Staaten geblieben. Hier beschreiben wir wie hochdimensionalen, Frequenz-bin verstrickt, zwei-Photonen-Staaten können durch erzeugt werden mit einer stabilen, Generation Rate eine verschachtelte Hohlraum, aktiv modengekoppelten Anregung von nicht-linearen Mikro-Kavitäten. Diese Technik wird verwendet, um gepulste Quantum Frequenzkämmen produzieren. Darüber hinaus präsentieren wir wie die Quantenzustände kohärent sein kann mit standard Telekommunikation Komponenten wie programmierbare Filter und elektrooptische Modulatoren manipuliert. Insbesondere zeigen wir im Detail wie Zustand Charakterisierung Messungen wie Dichte Matrix Rekonstruktion, koinzidenzerkennung und einzelnes Photon Spektrum Bestimmung zu erreichen. Die vorgestellten Methoden bilden eine zugängliche, rekonfigurierbare und skalierbare Grundlage für komplexe hochdimensionalen Staat Vorbereitung und Manipulation Protokolle im Frequenzbereich.
Introduction
Die Kontrolle der Quantenphänomene eröffnet die Möglichkeit für neue Anwendungen in so unterschiedlichen Bereichen wie sichere Quanten Kommunikation1, leistungsstarke Quantum Informationsverarbeitung2und Quantum sensing3. Während eine Vielzahl von physischen Plattformen sind für die Erkenntnisse der Quantenphysik Technologien4aktiv erforscht, sind optische Quantenzustände wichtige Kandidaten wie sie mal lange Kohärenz und Stabilität von Außenlärm, ausgezeichnete aufweisen können Übertragungseigenschaften sowie Kompatibilität mit bestehenden Telekommunikations- und Silizium-Chip (CMOS)-Technologien.
In Richtung voll erkannte das Potenzial von Photonen für Quantentechnologien, kann durch den Einsatz mehrerer verwickelten Parteien und/oder High-Dimensionalität Zustand Komplexität und Informationsgehalt erhöht werden. Allerdings fehlt die auf Chip-Generation solcher optischen Staaten Praktikabilität Setups sind kompliziert, nicht perfekt skalierbare bzw. hochspezialisierten Komponenten verwenden. Insbesondere hochdimensionalen Pfad-Verstrickung erfordert 
zusammenhängend aufgeregt identisch Quellen und aufwendige Schaltungen der Strahlteiler5 (wo ist die Staat Dimensionalität), während Zeit-Verstrickung komplexe braucht Multi-Arm Interferometer6. Bemerkenswert ist, der Frequenzbereich eignet sich gut für die skalierbare Erzeugung und Steuerung komplexer Zustände, dargestellt durch seine jüngsten Ausbeutung in Quantum Frequenz Kämme (QFC)7,8 mit einer Kombination aus integrierten Optik und Telekommunikations-Infrastrukturen9, und bietet einen viel versprechenden Rahmen für zukünftige Quantum Information Technologies.
Auf dem Chip QFCs entstehen integrierte Micro-Hohlräume nichtlineare optische Effekte bei. Mit solchen nichtlinearen Mikro-Resonator, sind zwei verschränkte Photonen (angegeben als Signal und Müßiggänger) produziert durch spontane vier-Wellen-mischen, über die Vernichtung der beiden Erregung Photonen – mit dem daraus resultierenden Paar in einer Überlagerung der Kavität erzeugt gleichmäßig verteilt Resonanzfrequenz Modi (Abbildung 1). Wenn es Kohärenz zwischen den einzelnen Frequenz-Modi, ist ein Frequenz-bin verstrickt Staat gegründeten10, die oft als eine modengekoppelten zwei Photon staatliche11bezeichnet wird. Dieser Zustand Wellenfunktion kann durch beschrieben werden:
Hier, 
und 
sind die Monomode-Frequenz Müßiggänger und Komponenten, bzw. signal und 
ist die Wahrscheinlichkeit Amplitude für die 
-ten Signal-Faulenzer-Modus Paar.
Früheren Demonstrationen auf dem Chip QFCs markieren Sie ihre Vielseitigkeit als tragfähige Quantum Informationsplattformen und umfassen Waben korrelierte Photonen12, Kreuz-polarisierte Photonen13, verschränkte Photonen14,15 , 16, Multi-Photonen erklärt15, und Frequenz-bin verstrickt Staaten9,17. Hier bieten wir einen detaillierten Überblick über die QFC-Plattform und ein Protokoll für hochdimensionale Frequenz-bin verstrickt, optische State-Erzeugung und Kontrolle.
Künftigen Anwendungen, insbesondere solche mit High-Speed-Elektronik (für die zeitgerechte Informationsverarbeitung), verbunden sein Verlangen die Hochrate-Generation von hochreinen Photon Staaten in einem kompakten und stabilen Aufbau. Wir verwenden eine aktiv-Modus gesperrt, geschachtelte Hohlraum-Schema, um QFCs in der Telekommunikation S, C und L Frequenzbänder zu produzieren. Ein Mikro-Ring ist in einem größeren gepulste Laser Hohlraum, mit optische Verstärkung (bereitgestellt von einem Erbium-dotierte Faser-Verstärker, EDFA) gefiltert, um die Mikro-Ring Erregung Bandbreite18übereinstimmen integriert. Modus-Verriegelung wird aktiv über Elektro-optische Modulation der Kavität Verluste19realisiert. Ein Isolator sorgt dafür, dass Puls Ausbreitung eine einzige Richtung folgt. Die daraus resultierende Impulsfolge hat sehr niedrige Root-Mean-Square (RMS) Lärm und Ausstellungen einstellbaren Wiederholraten und Puls Befugnisse. Hohe Isolation Notch-Filter trennt die emittierten QFC Photonen aus dem Bereich der Erregung. Diese einzelnen Photonen werden dann durch Fasern für Kontrolle und Nachweis geführt.
Unsere Regelung ist ein Schritt in Richtung einer hohen Generation-Rate, kompakte QFC Quelle, da alle verwendete Komponenten möglicherweise auf einem photonischen Chip integriert werden können. Darüber hinaus ist gepulste Anregung besonders gut geeignet für Quanten-Anwendungen. Erstens erzeugt mit Blick auf ein paar Micro-Cavity Resonanzen symmetrisch zu der Anregung, es zwei-Photonen-Staaten, wo jedes Photon ist gekennzeichnet durch eine Einzel-Frequenz Modus – Zentrale für lineare optische Quantencomputer20. Darüber hinaus können Multi-Photonen-Staaten durch höhere Macht Erregung Regimes und Auswählen von mehreren Signal-Faulenzer Paare15erzeugt werden. Zweitens wie Photonen in bekannten Zeitfenster entsprechend der gepulsten Anregung emittiert werden, Nachbearbeitung und Anspritzung realisierbar um Zustand Erkennung zu verbessern. Vielleicht unterstützt vor allem unsere hohen Raten von Photon Staaten mit harmonischen Modus-Verriegelung, ohne Verringerung der Zufall zu zufälligen Verhältnis (Auto) – das könnte den Weg für High-Speed-, multi-Channel Quanteninformation Technologien.
Um die Auswirkungen und die Machbarkeit der Frequenz-Domäne zu demonstrieren, muss die Kontrolle der QFC Staaten auf gezielte Weise, hocheffiziente Transformationen und Staat Kohärenz zu gewährleisten durchgeführt werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, verwenden wir kaskadierten programmierbare Filter und Phase Modulatoren – bewährte Komponenten in der Telekommunikationsbranche. Programmierbare Filter lässt sich eine beliebige spektralen Amplitude und Phase Maske auf die einzelnen Photonen mit einer Auflösung ausreichend, um jede Frequenzmodus individuell anzusprechen zu verhängen; und Phase elektrooptische Modulatoren angetrieben durch Radiofrequenz (RF) Signalgeneratoren ermöglichen das Mischen von Frequenz Komponenten21.
Der wichtigste Aspekt dieser Regelung ist, dass sie auf alle Quantum-Modi der Photonen gleichzeitig in einem einzigen räumlichen Modus, über einzelne Bedienelemente arbeitet. Erhöhung der Quantenzustand Dimensionalität führt nicht zu einer Erhöhung der Setup-Komplexität, im Gegensatz zu Weg-Zeit bin Verschränkung Systeme. Darüber hinaus sind alle Komponenten extern rekonfigurierbare (d. h. die Vorgänge verändert werden können, ohne eine Änderung das Setup) und bestehende Telekommunikationsinfrastruktur zu verwenden. So können bestehende und kommende Entwicklungen auf dem Gebiet der ultraschnelle optische Verarbeitung direkt an die skalierbare Steuerung von Quantenzuständen in Zukunft übertragen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen die Ausbeutung der Frequenzbereich von QFCs unterstützt die Hochrate-Generation von komplexen Quantenzustände und deren Kontrolle, und eignet sich somit für die Nutzung komplexer Zustände auf praktische und skalierbare Quantentechnologien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die optischen Frequenzbereich über QFCs, ist vorteilhaft in Quanten-Anwendungen für eine Vielzahl von Gründen. Operationen sind global, handeln auf allen Staaten gleichzeitig, die Ergebnisse in einem Design, das nicht in der Größe oder Komplexität mit zunehmender Staat Dimensionalität skaliert wird. Dies wird verbessert, da die Komponenten on-the-Fly ohne Änderung der Einstellungen neu konfiguriert werden und sind in der Lage können, auf dem Chip integrierte durch Ausnutzung der vorhandenen und/oder Halbleiter u…
Acknowledgements
Wir danken R. Helsten für technische Erkenntnisse; P. Kung von QPS Photronics für die Hilfe und Datenverarbeitungsanlagen; sowie QuantumOpus und N. Bertone Optoelektronik Komponenten für ihre Unterstützung und für die uns mit State-of-the-Art-Photon-Detektoren. Diese Arbeit wurde ermöglicht durch die folgenden Finanzierungsquellen: Naturwissenschaften und Technik Forschung Rat von Kanada (NSERC) (Steacie, strategische, Entdeckung und Beschleunigung Zuschüsse Systeme, Vanier Canada Graduate Stipendien, USRA-Stipendium); MITACS (IT06530) und PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI Initiative; Kanada Forschungsprogramm Stuhl; Australische Forschungsprojekte des Rates Entdeckung (DP150104327); Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter Marie Sklodowska-Curie gewähren (656607); CityU SRG-Fd-Programm (7004189); Strategische Priorität Forschungsprogramm von der chinesischen Akademie der Wissenschaften (XDB24030300); Programm “Menschen” (Marie-Curie-Maßnahmen) des RP7-Programm der Europäischen Union unter REA Finanzhilfevereinbarung INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Regierung der Russischen Föderation durch die ITMO Fellowship und Professur Programm (Grant 074-U-01); Programm 1000 Talente Sichuan (China)
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 |
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