Мы описываем оптическую систему для генерации безусловных запутанных поляризационных фотонов на основе многочисленных эффектов квантовых интерференций с помощью схемы обнаружения для оценки экспериментальной верности сгенерированных запутанных фотонов.
Мы представляем высокопроизводительный источник безусловной поляризации запутанных фотонов, которые имеют высокий уровень выбросов, широкополосное распределение, выродились и послевыбор бесплатно. Свойство источника основано на мультиквантном эффекте квантовых интерференций с конфигурацией интерферометра Sagnac. Эффекты квантовых интерференций позволяют использовать высокую эффективность генерации запутанных фотонов поляризации для обработки параметрических вниз-преобразований и отдельных вырожденных фотонных пар в различные оптические режимы без поствыбора Требование. Принцип оптической системы был описан и экспериментально использован для измерения параметров точности и колокола, а также для характеристики генерируемых поляризации запутанных фотонов из как минимум шести комбинаций коррелированных данных поляризации. Экспериментально полученные параметры верности и Белла превысили классический локальный предел корреляции и являются явным свидетельством генерации безусловных запутанных фотонов поляризации.
Запутанный состояние фотонов привлекло значительный интерес к изучению местного реализма в квантовой теории и новых применений квантовой криптографии1,квантового плотного кодирования2,квантового ретранслятора3и квантового телепортации4. Спонтанное параметрическое преобразование (SPDC) — это нелинейный процесс второго порядка, который был введен для непосредственного производства запутанных фотонных пар в состояниях поляризации. В связи с недавними разработками в квази-фазных методов сопоставления, периодически poled KTiOPO4 (ppKTP) и LiNbO3 (ppLN) стали стандартной техникой5. Несколько типов источников запутывания разрабатываются путем объединения этих нелинейных кристаллов с интерферометром Sagnac6,7,8. В частности, схема с ортогонически поляризованными фотонными парами, полученными с помощью гМС типа II, позволяет генерировать безусловные поляризационные фотоны, а также отдельные вырожденные поляризационные фотонные пары на различные оптические режимы без постселективного обнаружения7.
В отличие от этого, тип-0 SPDC имеет преимущество простой установки и высокой эмиссии соотношение фотона пар9. Кроме того, сгенерированные пары фотонов в гМД типа-0 показывают гораздо более широкую пропускную способность, чем фотоны гМС типа II. Общая скорость производства фотонов-пар на мощность насоса единицы на два порядка выше из-за его большой пропускной способности8. Большая пропускная способность коррелированных фотонных пар позволяет очень короткое время совпадения между обнаруженными парами фотона. Это свойство привело к нескольким потенциальным приложениям, таким как квантовая оптическая компора томографии10, для достижения ультракоротких временных корреляций через нелинейные взаимодействия с потоком запутанных фотонов11, метрология методы использования очень узкого падения в квантовой помехе12, квантовой синхронизации часов13,измерение запутанности времени14, и многорежимная частотная запутанность15. Тем не менее, схема с обычным типом-0 SPDC требует условных схем обнаружения6 или длины волны фильтрации8 или пространственного режима фильтрации, чтобы отделить порожденные поляризационно-запутанные фотоны16.
Мы реализовали схему, которая удовлетворяет свойствакактипа-0 и type-II SPDC одновременно на основе нескольких процессов квантовых интерференций17. Детали оптической системы были описаны и экспериментально использованы для измерения параметров, характеризующих генерируемые поляризационные фотоны с использованием минимального количества экспериментальных данных.
Вектор горизонтальной (H) и вертикальной (V) состояния поляризации может быть написан как и . Все возможные состояния чистой поляризации построены из когерентных суперпозиций этих двух состояний поляризации. Например, диагональ (D), антидиагональ (A), правокруговой (R) и левокруговой (L) свет, соответственно, представлены:
,
, (1)
И
,
H и V называются прямоугольными основаниями поляризации. D и А называются базами диагоналиповой поляризации. R и L называются круговыми базами поляризации. Эти чистые, а также смешанные состояния поляризации могут быть представлены матрицами плотности на основе H- и V-поляризации основания18.
Принцип работы схемы показан на рисунке 1a-e. Лазер вводится в поляризацию sagnac интерферометр состоит из поляризационных сплиттер пучка (PBS), две полуволновые пластины установлен 45o (HWP1) и 22,5o (HWP2), кристалл ppKTP, и зеркала. Поляризация оптики с этой установки работы как для длины волны насоса лазерного поля и вниз преобразованы фотоны.
H-компонент насосного лазера проходит через PBS, как показано на рисунке 1a и круговых поездок установки в часовой стрелке (CW) направлении. Поляризация насосного лазера была перевернута в диагонали (D) состояние через HWP2. Здесь V-компонент насосного лазера работает для вниз-преобразования, и сгенерированные фотоны V-поляризованы с типом-0 SPDC. Состояние поляризации SPDC генерируемых фотонных пар может быть представлено как:
. (2)
Вниз преобразованы фотонные пары H-поляризованы через HWP1 набор до 45o, как показано на рисунке 1b, и состояние поляризации становится:
. (3)
Лазерный луч насоса снова вводил инвертированные пары фотона в ppKTP. Сгенерированные пары фотонов из второго ГСМР появляются v-поляризованы и заменены с фотон-парами, генерируемыми первым исходящими SPDC для коллинейрного оптического режима, как показано на рисунке 1c. Состояние поляризации фотонных пар после второго ГСМР представлено как:
(4)
где относительная фаза между фотон-парой от первого и второго ГСМР. Фаза не меняется со временем, потому что она определяется дисперсией материала HWP1 между насосным лазером и вниз-преобразованными фотонами, и регулируется путем наклона HWP1. Состояние H (V)-поляризации необращенных фотонов было перевернуто в состояние A (D), как показано в (1). Состояние поляризации фотонных пар hWP2 представлено следующим:
(5)
Когда фаза устанавливается путем наклона HWP1, только первый срок состояния (5) остается, как показано на рисунке 1d. Это процесс квантовых помех, который соответствует обратному процессу помех Хонг-Оу-Манделя (HOM) поляризацииоснования 19. Когда H-фотон проходит через PBS и V-фотон отражается PBS, состояние поляризации выходных фотонных пар из PBS представлено как для оптического режима1 и 2, как показано на рисунке 1e.
И наоборот, V-компонент насосного лазера был отражен PBS, как показано на рисунке 1f и круглый споткнулся в направлении против часовой стрелки (CCW). Через аналогичные несколько типов-0 ГСМР процессов и унитарных преобразований, состояние поляризации выхода из PBS становится . Когда состояние поляризации насосного лазера было подготовлено в диагонали (D) состоянии, относительная фаза между H- и V-компонентами насосного лазера была равна нулю. Таким образом, состояние вывода сгенерированных фотонов с направлений CW и CCW накладывается с теми же амплитудой и представлено как:
. (6)
Состояние вывода представляет собой состояние, запутавое поляризацией, известное как одно из состояний Колокола, и может быть преобразовано в другие три состояния с использованием элементов поляризации оптики7. Используя отношение, показанное в (1), состояние вывода может быть представлено по диагоналиальным поляризационным базам как:
и круговыми базами поляризации как: .
Важнейшим шагом в протоколе является максимизация точности генерируемой поляризации запутанных фотонов. Расчетные параметры верности и Белла в настоящее время ограничены, главным образом потому, что мы использовали многорежимные волокна для сбора сгенерированных запутанных фотонов. Наклон HWP1 повлиял на разницу в высоте пространственных режимов между фотонами первого и второго ГСМР и вызвал несоответствие пространственного режима выходу интерферометра Sagnac. Верность, как ожидается, будет выше при использовании однорежимных волокон, которые отфильтровывают пространственно-режим-перекрывающейся области генерируемых первого и второго фотонов SPDC. Кроме того, эффект birefringence кристалла ppKTP повлиял на несоответствие режима между первым и вторым фотонами SPDC. В будущем мы можем улучшить параметры с помощью дополнительных кристаллов компенсации.
Значение протокола заключается в реализации нескольких свойств одновременно по отношению к существующему методу. Источник поляризации запутанные фотоны с протоколом имеют высокую скорость выбросов, являются вырожденными, имеют широкополосное распространение, и после выбора бесплатно. Характерное преимущество протокола основано на множественном квантовом помехе с помощью двойного проходного поляризации саньячного интерферометра. Фотоническая система позволяет использовать эффективность поляризации большого поколения запутанных фотонов и разделять вырожденные фотонные пары на различные оптические режимы без необходимости поствыбора. Система высокопроизводительной поляризации запутанных фотонов может быть применена для новых фотонных квантовых информационных технологий1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Это исследование было поддержано Исследовательским фондом опто-науки и техники, Япония. Мы благодарим д-ра Томо Осаду за полезные обсуждения.
300mm fous lens | Thorlabs. INC. | AC254-300-B | |
405nm LD | Digi-Key Electronics | NV4V31SF-A-ND | |
Delay line | Ortec INC. | DB463 | |
Dichroic mirror (DM) | Midwest Optical Systems INC. | SP650-25.4 | |
Half-wave plate (HWP) for 405nm | Thorlabs. INC. | WPH05M-405 | |
Half-wave plate (HWP) for dual wavelengths | Meadowlark Co. | DHHM-100-0405/0810 | |
Interference filter (IF) | IDEX Health & Science, LLC | LL01-808-12.5 | |
Multi-channel analyzer (MCA) | Ortec INC. | EASY-MCA-2K | MAESTRO-32 software |
Polarization-maintaining fiber | Thorlabs. INC. | P1-405BPM-FC-1 | |
Polarizer (POL) | Meadowlark Co. | G335743000 | |
ppKTP crystal | RAICOL CRYSTAL LTD. | Type-0, 3.425 microns period | |
Quarter-wave plate (QWP) for 808nm | Thorlabs. INC. | WPQ05M-808 | |
Quarter-wave plate (QWP) for 405nm | Thorlabs. INC. | WPQ05M-405 | |
Retroreflector | Newport Co. | U-BER 1-1S | |
Single photon counting Module (SPCM) | Laser Cpmponents LTD. | Count -100C-FC | FC connecting |
Time-to-amplitude converter (TAC) | Ortec INC. | 567 |