Generazione e controllo coerente di pettini di frequenza pulsata Quantum
Summary
Un protocollo è presentato per la pratica generazione e manipolazione coerente di alto-dimensionali frequenza-bin impigliato fotone stati utilizzando micro-cavità integrata e componenti standard di telecomunicazioni, rispettivamente.
Abstract
Presentiamo un metodo per la generazione e manipolazione coerente di pettini di frequenza pulsata quantistica. Fino ad ora, metodi di preparazione di alto-dimensionali stati su chip in modo pratico sono rimaste sfuggente a causa della crescente complessità dei circuiti quantistici necessari per preparare ed elaborare tali Stati. Qui, descriviamo come alto-dimensionali, frequenza-bin impigliato, Stati del due-fotone possono essere generati ad un tasso stabile, alta generazione utilizzando un’eccitazione nidificati-cavità, attivamente mode-locking di micro-cavità non lineare. Questa tecnica viene utilizzata per la produzione di pettini di frequenza pulsata quantistica. Inoltre, vi presentiamo come gli stati quantistici possono essere coerentemente modificati utilizzando componenti standard delle telecomunicazioni come modulatori elettro-ottici e filtri programmabili. In particolare, vi mostriamo nel dettaglio come eseguire misure di caratterizzazione di stato come ricostruzione di matrice densità, rilevazione di coincidenza e determinazione dello spettro di singolo fotone. I metodi presentati costituiscono un fondamento scalabile, accessibile e riconfigurabile per protocolli di preparazione e manipolazione di uno stato complesso alto-dimensionali nel dominio della frequenza.
Introduction
Il controllo di fenomeni quantistici apre la possibilità per le nuove applicazioni in campi diversi come quantum sicuro comunicazioni1, informazione quantistica potente elaborazione2e quantum3di rilevamento. Mentre una varietà di piattaforme fisiche stanno ricercandi attivamente per le realizzazioni di quantum technologies4, ottici stati quantici sono candidati importanti in quanto possono mostrare coerenza lunghi tempi e stabilità dal rumore esterno, eccellente Proprietà di trasmissione, nonché compatibilità con silicon chip (CMOS) tecnologie e delle telecomunicazioni.
Verso realizzare pienamente il potenziale di fotoni per tecnologie quantistiche, contenuto di complessità e informazioni di stato può essere aumentato mediante l’utilizzo di più parti impigliate e/o alta-dimensionalità. Tuttavia, la generazione su chip di tali stati ottici manca di praticità come configurazioni sono complicati, non perfettamente scalabile, e/o utilizzano componenti altamente specializzate. In particolare, richiede alto-dimensionali percorso-entanglement 
coerentemente-eccitato identiche fonti e circuiti elaborati di beam-splitter5 (dove è la dimensionalità di stato), mentre ha bisogno di tempo-entanglement complessi gli interferometri multi-braccio6. Notevolmente, il dominio della frequenza è adatto per la generazione scalabile e il controllo di stati complessi, come dimostrato dal suo recente sfruttamento in quantum frequenza pettini (QFC)7,8 utilizzando una combinazione di ottica integrata e infrastrutture di telecomunicazione9e fornisce un quadro promettente per le tecnologie dell’informazione quantistica futuro.
QFCs su chip vengono generati utilizzando effetti ottici non lineari in integrato micro-cavità. Utilizzando tali micro-risonatore non lineare, due fotoni entangled (già notati come segnale e fannullone) sono prodotti miscelando spontaneo quattro-onda, tramite l’annientamento di due fotoni di eccitazione – con la coppia risultante generata in una sovrapposizione della cavità modalità di frequenza di risonanza equidistanti (Figura 1). Se c’è coerenza tra le modalità di frequenza individuale, uno stato di frequenza-bin impigliato è formata10, che è spesso definito come un due fotone modalità-bloccato stato11. Questa funzione d’onda di stato può essere descritto da,
Qui, 
e 
sono il tenditore di singolo-modalità di frequenza e segnale componenti, rispettivamente, e 
è l’ampiezza di probabilità per il 
coppia di modalità di segnale-tenditore – th.
Precedenti dimostrazioni di su chip QFCs evidenziano loro versatilità come piattaforme di informazione quantistica praticabile e includono pettini di fotoni correlati12, traversa-polarizzati fotoni13, i fotoni entangled14,15 , 16, multi-fotone dichiara15e frequenza-bin impigliato stati9,17. Qui, forniamo una panoramica dettagliata della piattaforma QFC e un protocollo per frequenza alto-dimensionali-bin impigliato stato ottico generazione e controllo.
Applicazioni future quantistica, specialmente quelli per essere interfacciato con l’elettronica ad alta velocità (per l’elaborazione di informazioni tempestive), richiedono la generazione di alto-tasso degli Stati di elevata purezza del fotone in una configurazione compatta e stabile. Usiamo un sistema di cavità attivamente mode-locking, annidati per produrre QFCs all’interno delle telecomunicazioni S, C e L bande di frequenza. Un micro-anello è incorporato in una più grande cavità di laser pulsato, con guadagno ottico (fornita da un amplificatore di fibra drogata con erbio, EDFA) filtrata per corrispondere la larghezza di banda di anellino eccitazione18. Il mode-locking è attivamente realizzato tramite elettro-ottica di modulazione del cavità perdite19. Un isolatore assicura che la propagazione di impulsi segue una sola direzione. Il treno di impulsi risultante ha rumore bassissimo quadratico medio (RMS) e presenta tassi di ripetizione sintonizzabile e poteri di impulso. Un filtro notch alto isolamento separa i fotoni emessi QFC dal campo di eccitazione. Questi singoli fotoni sono poi guidati attraverso le fibre per il rilevamento e controllo.
Il nostro programma è un passo verso un alto tasso di generazione, fonte di ingombro QFC, come tutti i componenti utilizzati possono potenzialmente essere inseriti su un chip fotonico. Inoltre, eccitazione pulsato è particolarmente adatto per applicazioni di quantum. In primo luogo, guardando un paio di micro-cavità risonanze simmetriche all’eccitazione, genera due fotoni Stati dove ogni fotone è caratterizzata da una singola frequenza modalità – centrale lineare ottico quantum computing20. Pure, Stati multi-fotone possono essere generati da trasferirsi a regimi di eccitazione più alti potere e selezionando più coppie di segnale-tenditore15. In secondo luogo, come i fotoni sono emessi in finestre temporali noto corrispondente all’eccitazione pulsata, post-elaborazione e gating può essere implementate per migliorare il rilevamento dello stato. Forse più significativo, il nostro schema supporta velocità di alta generazione di fotone stati utilizzando il mode-locking armonico senza ridurre il rapporto di coincidenza-a-accidentale (auto) – che potrebbe spianare la strada per informazione quantistica ad alta velocità, multi-canale tecnologie.
Per dimostrare l’impatto e la fattibilità del dominio della frequenza, controllo degli Stati QFC deve essere compiuta in modo mirato, garantendo trasformazioni altamente efficiente e la coerenza dello stato. Per soddisfare tali requisiti, usiamo cascati filtri programmabili e modulatori di fase – componenti consolidate nel settore delle telecomunicazioni. Filtri programmabili possono essere utilizzati per imporre un’ampiezza spettrale arbitraria e una maschera di fase su singoli fotoni, con una risoluzione sufficiente per affrontare ogni modalità frequenza singolarmente; e modulatori elettro-ottici fase guidati da generatori di segnale di radiofrequenza (RF) facilitano la miscelazione dei componenti di frequenza21.
L’aspetto più importante di questo schema di controllo è che funziona su tutti i modi di quantum dei fotoni simultaneamente in una singola modalità spaziale, utilizzando gli elementi di controllo singola. Aumentando la dimensionalità di stato quantico non porterà ad un aumento della complessità di installazione, in contrasto con regimi di entanglement percorso – o tempo-bin. Come pure, tutti i componenti sono esternamente riconfigurabile (significato le operazioni possono essere modificate senza modificare il programma di installazione) e utilizzare l’infrastruttura di telecomunicazioni esistente. Così, esistenti e futuri sviluppi nel campo della elaborazione ottica ultraveloce possono essere trasferiti direttamente al controllo scalabile di stati quantistici in futuro.
In sintesi, lo sfruttamento di frequenza-dominio di QFCs supporta la generazione di alto-tasso di stati quantistici complessi ed il loro controllo e, quindi è particolarmente adatto per lo sfruttamento di stati complessi verso tecnologie quantistiche pratico e scalabile.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’ottico frequenza-dominio, tramite QFCs, è vantaggioso nelle applicazioni di quantum per una serie di motivi. Le operazioni sono globali, che agisce su tutti dichiara contemporaneamente, che si traduce in un design che non scala in dimensione o complessità come gli aumenti di dimensionalità dello stato. Questo è migliorata come i componenti possono essere riconfigurati in-the-fly senza modificare il programma di installazione e sono in grado di essere integrato su chip sfruttando esistenti e/o lo sviluppo di infrast…
Acknowledgements
Ringraziamo R. Helsten per approfondimenti tecnici; P. Kung da QPS Photronics per l’aiuto e l’apparecchiatura di elaborazione; così come QuantumOpus e N. Bertone di componenti optoelettronica per il loro sostegno e per averci fornito con apparecchiature di rilevamento fotonico di state-of-the-art. Questo lavoro è stato reso possibile dalle seguenti fonti di finanziamento: Scienze naturali e ingegneria ricerca Consiglio del Canada (NSERC) (Steacie, strategico, scoperta e accelerazione sovvenzioni schemi, Vanier Canada laurea Borse di studio, borsa di studio USRA); Mitacs (IT06530) e PBEEE (207748); Iniziativa di PSR-SIIRI MESI; Canada Research Chair programma; Progetti di ricerca australiana del Consiglio Discovery (DP150104327); Ricerca Orizzonte 2020 dell’Unione europea e il programma di innovazione sotto il Marie Sklodowska-Curie grant (656607); Programma CityU SRG-Fd (7004189); Programma di ricerca di priorità strategica dell’Accademia cinese delle scienze (XDB24030300); Programma “persone” (azioni Marie Curie) del programma del 7 ° PQ dell’Unione europea ai sensi della convenzione di sovvenzione REA INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Governo della Federazione Russa attraverso il ITMO Fellowship e il programma di cattedra (Grant 074-U 01); Programma di 1000 talenti Sichuan (Cina)
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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