דור ושליטה קוהרנטי של הקוונטים פעמו תדירות מסרקים
Summary
פרוטוקול מוצגים מעשי הדור ומניפולציה קוהרנטי של הברית פוטון בתדר גבוה-ממדי-bin מסובכת באמצעות מיקרו משולב-חללים ורכיבים תקשורת סטנדרטיים, בהתאמה.
Abstract
אנו מציגים שיטה דור ומניפולציה קוהרנטי של מסרקים תדירות פעמו קוונטית. עד עכשיו, שיטות הכנת הברית גבוה-ממדי על שבב באופן מעשי נשארו חמקמק בשל המורכבות הגוברת של המעגלים קוונטית צריך להכין, לעבד מצבים כאלה. פה, אנו מכינים כמה גבוה-ממדי, תדירות-bin מסובכת, שני הפוטונים הברית יכול להיווצר בקצב דור יציבה, גבוהה על-ידי שימוש של עירור מקונן-cavity, נעול במצב פעיל של מיקרו-חלל לא-ליניאריות. טכניקה זו משמשת כדי לייצר קוונטית פעמו תדירות מסרקים. יתר על כן, אנו מציגים כיצד הברית הקוונטי יכול להיות באופן עקבי ומאוחד תמרן באמצעות רכיבי תקשורת סטנדרטיים כגון אלקטרו-אופטיים מאפננים ומסננים ניתן לתיכנות. בפרט, אנו מראים בפירוט כיצד לבצע מדידות אפיון מצב כגון שחזור מטריצת צפיפות, איתור מקרים ונחישות ספקטרום פוטון יחיד. השיטות שהוצגו יוצרים בסיס נגיש, reconfigurable ו מדרגיים עבור פרוטוקולים מניפולציה והכנה המדינה גבוה-ממדי מורכבת בתחום התדר.
Introduction
השליטה של תופעות קוונטיות פותחת את האפשרות עבור יישומים חדשים בתחומים מגוונים כמו תקשורת מאובטחת קוונטית1, עיבוד2וקוונטית חישה3אינפורמציה קוונטית עוצמה. בעוד מגוון רחב של פלטפורמות פיזית הם פעיל להיות נחקר במשך מימושים של קוואנטום טכנולוגיות4, מצבים הקוונטים אופטי הם מועמדים חשוב כמוצג הם יכולים פעמים קוהרנטיות ארוך ויציבות מרעש חיצוני, מעולה העברת נכסים, כמו גם תאימות עם התקשורת הקיימת והטכנולוגיות שבב (CMOS) סיליקון.
לקראת מיצוי הפוטנציאל של הפוטונים לטכנולוגיות קוונטית, המורכבות המדינה ותוכן המידע ניתן להגדיל באמצעות מספר מפלגות סבוכה ו/או גבוהה-dimensionality. עם זאת, הדור על שבב של מדינות אלו אופטי חסרה המעשיות כמו setups מסובך, לא בצורה מושלמת מדרגיים, ו/או להשתמש ברכיבים הפערים מיוחדים. באופן ספציפי, נתיב גבוהה-ממדי-שזירה דורש 
מקורות זהים באופן עקבי ומאוחד-נלהב, מעגלים מורכבים של קרן-מפצלי5 (איפה הוא dimensionality המדינה), בעוד זמן-שזירה צריך מורכבים זרוע מרובה אינטרפרומטרים6. למרבה הפלא, התדר הוא מתאים היטב עבור הדור מדרגי ושליטה על מצבים מורכבים, כפי שמוצג על ידי ניצול האחרונים שלה קוונטית תדירות קומבס (QFC)7,8 באמצעות שילוב של אופטיקה משולבת, תשתיות טלקומוניקציה9, ומספק מסגרת מבטיח לטכנולוגיות מידע קוונטי.
על שבב QFCs נוצרים באמצעות אפקטים אופטית לא-ליניאריות משולב מיקרו-סתימות. שימוש כזה לא לינארית מיקרו-מהוד, שני פוטונים סבוכה (ציין אות ו לדנוור) המיוצרים על ידי ספונטנית ארבעה גלים ערבוב, דרך השמדתה של שני פוטונים עירור – עם הזוג הנובעת המופקים צירוף לינארי של חלל מצבי המפוזרות לתדר המתאים (איור 1). אם יש קוהרנטיות בין המצבים תדירות בודדים, מדינה תדר-bin מסובכת הוא בנוי10, אשר הוא המכונה לעתים קרובות המדינה במצב נעול פוטון שני11. הגל-פונקציה זו המדינה יכולה להיות מתוארת על ידי,
כאן, 
, 
לדנוור יחיד-תדר-מצב, אות רכיבים, בהתאמה, ו 
הוא משרעת ההסתברות עבור 
זוג במצב אות-לדנוור – th.
הפגנות קודמות של QFCs על שבב לסמן צדדיות שלהם כמו פלטפורמות מידע קוונטי קיימא, והם כוללים מסרקים של פוטונים מתואם12, פוטונים מקוטב-קרוס13,14,פוטונים סבוכה15 , 16, פוטון רב מדינות15, תדירות-bin מסובכת הברית9,17. כאן, אנו מספקים סקירה מפורטת של פלטפורמת QFC, עבור תדירות גבוהה-ממדי-bin פרוטוקול מסובכת דור המדינה אופטי ושליטה.
יישומים קוונטי, במיוחד אלה כדי להיות לממשק עם אלקטרוניקה במהירות גבוהה (לעיבוד מידע עדכני), דורשים הדור ברמה גבוהה של טוהר גבוהה פוטון הברית בהגדרת קומפקטי ויציב. אנו משתמשים מזימת חלל פעיל במצב נעול, מקוננת כדי לייצר QFCs בתוך תקשורת להקות תדירות S, C, ו- L. טבעת מיקרו הוא שולב גדול פעמו לייזר חור, עם רווח אופטי (המסופקים על ידי מגבר ארביום-מסטול סיבים, EDFA) מסוננים כדי להתאים את רוחב הפס של מיקרו-טבעת עירור18. נעילת מצב פעיל ממומש באמצעות אלקטרו-אופטיים אפנון של הפסדים חלל19. Isolator מבטיח כי הפצת הדופק עוקב אחר בכיוון אחד. הרכבת הדופק וכתוצאה מכך יש רעש נמוכה שורש ממוצע הריבועים (RMS) ותערוכות שיעורי החזרות tunable וכוחות דופק. מסנן חריץ בידוד גבוהה מפרידה את הפוטונים הנפלטים QFC מן השדה עירור. פוטונים בודדים אלה ואז מודרכים דרך סיבי עבור זיהוי ובקרה.
ערכת שלנו הוא צעד לקראת הדור-שיעור גבוה, קטן-טביעת QFC מקור, כמו כל הרכיבים המשמשים פוטנציאל ניתן לשלב על גבי שבב פוטוני. בנוסף, עירור פעמו היא במיוחד מתאים היטב עבור יישומים קוונטית. ראשית, מסתכל על זוג של מיקרו-cavity מגנטיים סימטרי עירור, שהיא מייצרת שני הפוטונים הברית שבו כל פוטון מאופיינת בתדר יחיד במצב – מרכזי עבור ליניארי קוואנט אופטי מחשוב20. כמו כן, ניתן להפיק פוטון מרובה הברית על-ידי הזזת משטרים עירור גבוה יותר של כוח ובחירה אות-לדנוור זוגות מספר15. שנית, כפי פוטונים נפלטים בחלונות זמן ידוע המתאימים עירור פעמו, עיבוד דפוס של gating ניתן ליישם כדי לשפר את מצב איתור. אולי והכי משמעותי, ערכת שלנו תומך דור גבוהה המחירים של פוטון הברית באמצעות נעילת מצב הרמוני מבלי להפחית את היחס מקרים-כדי-בטעות (מכונית) – אשר יכול לסלול את הדרך עבור אינפורמציה קוונטית במהירות גבוהה, מרובה ערוצים טכנולוגיות.
כדי להדגים את ההשפעה ואת הכדאיות של התדר, השליטה QFC הברית חייב להתבצע בדרכים יישוב, שינויי צורה יעילה במיוחד של המדינה קוהרנטיות. כדי לספק את דרישות כאלה, אנו משתמשים שלב מאפננים – הוקמה רכיבים לתעשיית הטלקומוניקציה ומסננים לתכנות מדורגים. מסננים לתכנות יכול לשמש כדי לכפות משרעת ספקטרלי שרירותי ומסיכת שלב על פוטונים בודדים, עם רזולוציה מספיק לטפל בכל מצב תדר בנפרד; שלב אלקטרו-אופטיים מאפננים מונע על ידי תדרי רדיו (RF) האות גנרטורים להקל על ערבוב של רכיבי התדר21.
ההיבט החשוב ביותר של ערכת שליטה זו היא כי הוא פועל על כל המצבים קוונטי פוטונים בו-זמנית במצב יחיד המרחבי, באמצעות רכיבי בקרה בודדת. הגדלת dimensionality את מצב קוונטי לא תוביל לעלייה מורכבות ההתקנה, בניגוד ערכות שזירה נתיב או זמן-תאים. כמו כן, שכל הרכיבים פועלים באופן חיצוני reconfigurable (כלומר ניתן לשנות את הפעולות ללא המתקנת את ההתקנה) ושימוש בתשתית התקשורת הקיימת. לפיכך, קיימים ועתידיים בהתפתחויות בתחום של עיבוד אופטי מרביים ניתן ישירות להעביר לשליטת המדרגי מצבים הקוונטים בעתיד.
לסיכום, ניצול התדר על-ידי QFCs הדור ברמה גבוהה של מצבים הקוונטים מורכבים ושליטה שלהם, ותומכת, ולכן הוא מתאים היטב רתימת של מצבים מורכבים כלפי מעשי ומדרגי קוונטית טכנולוגיות.
Protocol
Representative Results
Discussion
התחום התדירות אופטי, דרך QFCs, יש יתרון ביישומים קוונטי עבור שורה של סיבות. פעולות הן כלליות, משחק על כל מדינות בו זמנית, אשר התוצאות לעיצוב אינה סקיילבילית גודל או מורכבות כמו עליות dimensionality המדינה. זה מוגברת כמו הרכיבים יכול להיות מחדש ב- the-fly מבלי לשנות את ההגדרה הם מסוגל להיות משולב על שבב ע?…
Acknowledgements
אנו מודים Helsten ר על תובנות טכני; פ קונג מ QPS Photronics על העזרה ועל עיבוד ציוד; כמו גם QuantumOpus, ש Bertone של רכיבים אלקטרואופטיקה על תמיכתם ועל מתן אותנו עם המדינה-of-the-art פוטון איתור ציוד. עבודה זו התאפשרה על ידי מקורות המימון הבאים: מדעי הטבע, הנדסה מחקר המועצה של קנדה (NSERC) (Steacie, אסטרטגי, גילוי, וערכות האצת מענקים, מלגות לתואר שני של קנדה וניהר, מלגת USRA); Mitacs (IT06530), PBEEE (207748); יוזמה של PSR-SIIRI MESI; קנדה תכנית המחקר הכסא; מחקר אוסטרלי גילוי המועצה פרויקטים (DP150104327); המחקר של האיחוד האירופי אופק 2020 ותוכנית חדשנות תחת מארי Sklodowska-קירי הענק (656607); תוכנית CityU SRG-Fd (7004189); עדיפות אסטרטגית תוכנית מחקר של האקדמיה הסינית למדעים (XDB24030300); תוכנית אנשים (מארי קירי פעולות) של האיחוד האירופי תוכנית האיחוד FP7 תחת ריאה גרנט הסכם INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); ממשלת הפדרציה הרוסית דרך מלגת ITMO פרופסורה התוכנית (גרנט 074-U 01); 1000 כשרונות סצ’ואן התוכנית (סין)
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).
