Geração e controle coerente de pentes de frequência pulsada Quantum
Summary
Um protocolo é apresentado para a geração prática e coerente manipulação de Estados de fóton de frequência alta dimensão-bin enredada usando integradas microcavidades e componentes de telecomunicações padrão, respectivamente.
Abstract
Nós apresentamos um método para a geração e a manipulação coerente de pentes de frequência quântica pulsado. Até agora, métodos de preparação de alta dimensão Estados em-microplaqueta de forma prática permaneceu indescritíveis devido à complexidade crescente do circuito quântica necessário para preparar e processar esses Estados. Aqui, nós esboçamos como alta dimensão, frequência-bin enredada, dois fotões Estados podem ser gerados a um ritmo estável, alta geração usando uma excitação aninhados-cavidade, ativamente modo bloqueado de uma microcavidade não-linear. Essa técnica é usada para produzir pentes de frequência quântica pulsado. Além disso, apresentamos como os estados quânticos pode ser coerentemente manipulado usando componentes padrão de telecomunicações como filtros programáveis e moduladores eletro-óptica. Em especial, mostramos em detalhes como realizar medições de caracterização do estado como reconstrução de matriz de densidade, detecção de coincidência e determinação do espectro de fóton único. Os métodos apresentados formam uma base acessível, reconfigurável e escalável para protocolos de preparação e manipulação de estado elevado-dimensionais complexas no domínio da frequência.
Introduction
O controle de fenômenos quânticos abre a possibilidade de novas aplicações em campos tão diversos como seguro quântica comunicações1, informação quântica poderoso processamento2e quântica sensoriamento3. Enquanto uma variedade de plataformas físicas ativamente estão sendo pesquisados para as realizações de quântica tecnologias4, óticos estados quânticos são candidatos importantes, como eles podem apresentar vezes longo coerência e estabilidade do ruído externo, excelente Propriedades de transmissão, bem como compatibilidade com existente das telecomunicações e tecnologias de silício microplaqueta (CMOS).
No sentido de realizar plenamente o potencial de fótons para tecnologias quânticas, conteúdo de informações e a complexidade do estado pode ser aumentado com o uso de múltiplas partes emaranhadas e/ou alta-dimensionalidade. No entanto, a geração de em-microplaqueta desses Estados óptico não possui praticidade como configurações são complicadas, não perfeitamente escalável, e/ou usam componentes altamente especializados. Especificamente, requer alta dimensão caminho-emaranhamento 
fontes idênticas coerentemente-animado e elaborados circuitos de feixe-divisores5 (onde é a dimensionalidade do estado), enquanto que precisa de tempo-entrelaçamento complexo interferômetros multi braço6. Notavelmente, o domínio da frequência é adequado para a geração escalável e o controle dos Estados complexos, como mostrado pela sua recente exploração em quântica frequência pentes (QFC)7,8 usando uma combinação de óptica integrada e de infra-estruturas de telecomunicações9e fornece um quadro promissor para as tecnologias da informação quântica futura.
QFCs em-microplaqueta são gerados usando efeitos ópticos não lineares em microcavidades integradas. Usando tal um não-linear microressonador, dois fótons emaranhados (Note-se como sinal e tensor) são produzidos por espontânea quatro ondas de mistura, através da aniquilação de dois fótons de excitação – com o par resultante gerado em uma superposição da cavidade modos de frequência ressonante uniformemente espaçados (Figura 1). Se há coerência entre os modos de frequência individual, um estado de frequência-bin enredado é formado10, que é muitas vezes referida como um estado de modo bloqueado dois fótons11. Esta função de onda do estado pode ser descrita por,
Aqui, 
e 
são o tensor de frequência-monomodo e sinal de componentes, respectivamente, e 
é a amplitude de probabilidade para o 
par de modo de sinal-tensor – th.
Manifestações anteriores em-microplaqueta QFCs destacam sua versatilidade como plataformas de informação quântica viável e incluem pentes de fótons correlacionados12, fótons polarizados Cruz13,14,de fótons emaranhados15 , 16, multi fóton afirma15e frequência-bin enredada Estados9,17. Aqui, nós fornecemos uma descrição detalhada sobre a plataforma QFC e um protocolo para frequência alta dimensão-bin emaranhado controle e geração de ópticas do estado.
Aplicações futuras quântica, especialmente aqueles para ser interfaceado com eletrônica de alta velocidade (para o processamento de informações oportunas), exigem a geração de altas taxas de Estados de fótons de alta pureza em uma configuração compacta e estável. Nós usamos um esquema de cavidade ativamente modo bloqueado, aninhados para produzir QFCs dentro das Telecomunicações S, C e L bandas de frequência. Um anel de micro é incorporado uma cavidade mais ampla do laser pulsado, com ganho óptico (fornecido por um amplificador de fibra dopados com érbio, EDFA) filtrada para coincidir com a excitação de microanel de largura de banda18. Modo de bloqueio é realizado activamente através da modulação electro-óptica da cavidade perdas19. Isolador garante que a propagação do pulso segue uma única direção. O trem de pulso resultante tem ruído muito baixo raiz média quadrática (RMS) e exibe a repetência ajustáveis e poderes de pulso. Um filtro de entalhe elevado isolamento separa os fótons emitidos de QFC do campo de excitação. Estes fótons único então são guiados através de fibras de controle e de detecção.
Nosso esquema é um passo para uma alta taxa de geração, fonte QFC reduzido, como todos os componentes usados, potencialmente, podem ser integrados em um chip fotônico. Além disso, excitação pulsada é particularmente bem adaptada para aplicações de quântica. Primeiro, olhando para um par de microcavidade ressonâncias simétricas para a excitação, ele gera dois fotões Estados onde cada fóton é caracterizada por uma frequência única modalidade – central para linear óptica quântica computação20. Também, fótons vários Estados podem ser gerados, movendo-se para regimes de excitação maiores poder e selecionando múltiplos pares de sinal-tensor15. Em segundo lugar, como os fótons são emitidos em janelas de tempo conhecido correspondente a excitação pulsada, pós-processamento e retenção podem ser implementados para melhorar detecção do estado. Talvez mais significativamente, o nosso esquema suporta taxas de alta geração de fótons Estados usando o bloqueio de modo harmônico sem reduzir a relação de coincidência-para-acidental (carro) – que poderá abrir caminho para informação quântica de alta velocidade, multi-canal tecnologias.
Para demonstrar o impacto e a viabilidade do domínio de frequência, controle de Estados QFC deve ser realizado em maneiras de alvo, garantindo a coerência do estado e transformações altamente eficientes. Para satisfazer tais requisitos, usamos filtros programáveis em cascata e moduladores de fase – componentes estabelecidos na indústria de telecomunicações. Filtros programáveis podem ser usados para impor uma amplitude espectral arbitrária e as máscaras de fase os fótons única, com uma resolução suficiente para abordar cada modo de frequência individualmente; e moduladores de electro-óptica fase impulsionados por geradores de sinal de rádio-frequência (RF) facilitam a mistura dos componentes de frequência21.
O aspecto mais importante deste esquema de controle é que opera em todos os modos de quântica dos fótons simultaneamente em um único modo espacial, usando elementos de controle único. Aumentando a dimensionalidade do estado quântico não conduzirá a um aumento da complexidade da instalação, em contraste com esquemas de emaranhamento do caminho – ou tempo-bin. E também todos os componentes são reconfigurável externamente (ou seja, as operações podem ser alteradas sem que altera a configuração) e usar a infra-estrutura de telecomunicações existente. Assim, existentes e futuros desenvolvimentos no campo do processamento óptico ultra rápido podem ser transferidos diretamente para o controle evolutivo de estados quânticos no futuro.
Em resumo, a exploração do domínio de frequência por QFCs oferece suporte a geração de altas taxas de complexos estados quânticos e seu controle e, assim, é well-suited para o aproveitamento dos Estados complexos para as tecnologias de quântico prático e escalável.
Protocol
Representative Results
Discussion
O domínio de frequência óptico, através de QFCs, é vantajoso em aplicações quântico para uma série de razões. As operações são globais, atuando em todos os Estados simultaneamente, que resulta em um projeto que não se adapta em tamanho ou complexidade como os aumentos de dimensionalidade do estado. Isto é realçado como os componentes podem ser reconfigurada on-the-fly sem alterar a configuração e são capazes de ser integrado no chip explorando existentes e/ou desenvolvimento de infra-estruturas de tele…
Acknowledgements
Agradecemos Helsten R. conhecimentos técnicos; P. Kung de QPS Photronics pela ajuda e equipamento de processamento; assim como QuantumOpus e s. Bertone de componentes OptoElectronics pelo apoio e por nos fornecer equipamento de detecção de fótons de estado-da-arte. Este trabalho foi feito possível pelas seguintes fontes de financiamento: Ciências naturais e engenharia pesquisa Conselho de Canadá (NSERC) (Steacie, estratégico, descoberta e aceleração esquemas de subsídios, Vanier Canadá bolsas de pós-graduação, bolsa USRA); Mitacs (IT06530) e PBEEE (207748); MESI PSR-SIIRI iniciativa; Programa de cadeira de pesquisa em Canadá; Projetos de descoberta Conselho australiano de pesquisa (DP150104327); Da União Europeia Horizonte 2020 programa de pesquisa e inovação sob o Marie Sklodowska-Curie concedem (656607); Programa CityU SRG-Fd (7004189); Programa de pesquisa prioridade estratégica da Academia Chinesa de Ciências (XDB24030300); Programa de pessoas (acções Marie Curie) do programa de FP7 da União Europeia no âmbito do acordo de concessão REA INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Governo da Federação da Rússia, através da comunhão ITMO e programa cátedra (Grant 01 074-U); 1000 talentos programa de 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 |
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).
