Vi beskriver ett optiskt system för generering av villkorslös polarisering-intrasslade fotoner baserat på flera kvantinterferenseffekter med ett detektions schema för att uppskatta den experimentella troheten av genererade intrasslade fotoner.
Vi presenterar en högpresterande källa till villkorslös polarisering-intrasslade fotoner som har en hög utsläpps hastighet, en bredbands distribution, är urartade och postselection gratis. Egenskapen av källan baseras på multipel Quantum störnings effekt med en rund turs konfiguration av en Sagnac interferometer. De Quantum störningseffekter gör det möjligt att använda den höga generationens effektivitet polarisering-intrasslade fotoner att bearbeta parametriska ned-konvertering, och separata degenererade Photon par i olika optiska lägen utan en postselection Krav. Principen för det optiska systemet beskrevs och experimentellt används för att mäta trohet och Bell parametrar, och även att karakterisera den genererade polarisering-intrasslad fotoner från ett minimum av sex kombinationer av polarisering korrelerade data. Den experimentellt erhållna trohet och Bell parametrar överskred den klassiska lokala korrelations gränsen och är tydliga bevis för generering av villkorslös polarisering-intrasslade fotoner.
Det intrasslade tillståndet i fotoner har väckt stort intresse för studiet av lokal realism i kvantteori och nya tillämpningar av Quantum Cryptography1, Quantum tät Coding2, Quantum repeater3, och Quantum teleportering4. Spontan parametriska Down-omvandling (SPDC) är en andra ordningens ickelinjära process som har införts för att direkt producera intrasslade fotonen par i polariserings tillstånd. På grund av den senaste utvecklingen i kvasi-fas-matchning tekniker, regelbundet med ktiopo4 (ppktp) och Linbo3 (ppln) har blivit en standardteknik5. Flera typer av entanglement källor utvecklas genom att kombinera dessa ickelinjära kristaller med en sagnac interferometer6,7,8. I synnerhet systemet med ortogonalt polariserande fotonen par erhålls genom typ-II SPDC gör det möjligt att generera villkorslös polarisering-intrasslad fotoner och även separat degenererade polarisering-intrasslad fotonen par i olika optiska lägen utan postselektiv detektion7.
I motsats till detta har Type-0 SPDC fördelen av en enkel installation och ett högt utsläpps förhållande av fotons par9. Dessutom genererade fotonen par i typ 0 SPDC visar en mycket bredare bandbredd än fotoner av typ-II SPDC. Den totala fotonen-par produktionstakt per enhet pumpeffekt är två storleksordningar högre på grund av dess stora bandbredd8. En stor bandbredd av korrelerade foton par tillåter en mycket kort sammanträffande tid mellan de upptäckta fotonen par. Denna fastighet har lett till flera potentiella tillämpningar såsom Quantum optisk koherens tomografi10, för att uppnå Ultrashort temporala korrelationer genom ickelinjära interaktioner med flödet av intrasslade fotoner11, metrologi metoder som använder mycket smalt dopp i kvantinterferens12, Quantum Clock Synchronization13, tidsfrekvens insnärjning mätning14, och multimode frekvens insnärjning15. Men systemet med vanliga typ-0 SPDC kräver villkorliga detektions scheman6 eller våglängd filtrering8 eller spatial-läge filtrering för att separera den genererade polarisering-intrasslad fotoner16.
Vi insåg ett system som uppfyller egenskaperna hos både typ-0 och typ-II SPDC samtidigt baserat på flera kvantinterferensprocesser17. Detaljerna i det optiska systemet beskrevs och experimentellt användes för att mäta de parametrar som karakteriserar den genererade polariseringen-intrasslade fotoner med hjälp av ett minimum antal experimentella data.
Jones vektorn av horisontella (H) och vertikala (V) polariserings tillstånd kan skrivas som och. Alla möjliga rena polariserings tillstånd är konstruerade av sammanhängande superpositioner av dessa två polariserings tillstånd. Till exempel representeras Diagonal (D), anti-Diagonal (A), höger-cirkulär (R), och vänster-cirkulär (L) ljus, respektive, av:
,
, (1)
Och
,
H och V kallas rätlinjiga polarisation baser. D och A kallas diagonala polariserings baser. R och L kallas cirkulära polarisation baser. Dessa rena och också blandat påstår av polarizationen kan föreställas av täthet matriser som baseras på H-och V-polarisering baser18.
Systemets funktionsprincip visas i figur 1a-e. Lasern injiceras i en polarisering Sagnac interferometer består av en polariserande balk splitter (PBS), två halv-Wave plattor inställd på 45o (HWP1) och 22,5o (HWP2), en ppktp kristall, och speglar. Polarisationoptiken med denna inställning fungerar för både våglängd av pumpa laser sätter in och besegra-konverterade fotoner.
H-komponenten i pump lasern passerar genom PBS som visas i figur 1a och rundturer inställningen i en medurs (CW) riktning. Polariseringen av pump lasern var inverterad till diagonalen (D) staten genom HWP2. Här fungerar V-delen av pumpa lasern för besegrar-omvandling, och de genererade fotoner är V-polariserat med typ-0 SPDC. Den SPDC polarisering tillstånd av genererade fotonen par kan representeras som:
. 2
Besegra-konverterat fotonen parar är H-polariserat till och med HWP1 uppsättningen till 45nolla som visat i figur 1b, och polariseringstillståndet blir:
. 3
Pumpa laserstrålen injicerade igen de inverterade fotonen parar in i Ppktpen. De genererade fotonen par från den andra SPDC är både V-polariserade och ovanpå med fotonen par som genereras av den första SPDC för en collinear optiskt läge som visas figur 1c. Polarizationen som är statlig av fotonen, parar efter understödja SPDC föreställs som:
4
var är den relativa fasen mellan fotonen paret från den första och andra SPDC. Fasen varierar inte med tiden eftersom den bestäms av den HWP1’s material spridningen mellan pump lasern och de nedkonverterade fotoner, och justerbar genom tippning HWP1. Den H (V)-polarisering tillstånd av de nedkonverterade fotoner var inverterad till en (D) tillstånd som visas i (1). Polarizationen som är statlig av det tillverkat Photon parar från HWP2, föreställs som:
5
När fasen är inställd genom att luta HWP1, återstår endast den första termen av staten (5) som visas i figur 1d. Detta är den kvantmekaniska störnings processen som motsvarar den omvända Hong-ou-mandel (HOM) störning process av polarisation baser19. När H-Photon passerar PBS och V-Photon återspeglas av PBS, är polarisation tillstånd av produktionen fotonen par från PBS representeras som för optisk Mode1 och 2 som visas i figur 1e.
Omvänt reflekterades V-komponenten i pump lasern av PBS som visas i figur 1f och runda utlöst i en motsols (CCW) riktning. Genom liknande flera SPDC-processer av typ 0 och enhetliga transformationer blir polariserings tillståndet för utdata från PBS. När polarisation tillstånd av pumpen lasern var beredd i Diagonal (D) stat, var den relativa fasen mellan H-och V-komponenter i pump lasern noll. Därför utdata tillstånd av genererade fotoner från CW och CCW riktningar är ovanpå med samma amplituder och representeras som:
. 6
Utgångsläget är en polarisering-intrasslad stat känd som en av Bell staterna och kan konverteras till andra tre stater med hjälp av polarisation optik Elements7. Med hjälp av relationen som visas i (1), kan utgångsläget representeras av diagonala polariserings baser som:
och med cirkulära polarisation baser som: .
Det kritiska steget i protokollet är hur man maximerar trohet av den genererade polarisering intrasslade fotoner. Den uppskattade Fidelity och Bell parametrarna är för närvarande begränsade, främst eftersom vi använde multimode fibrer för att samla in de genererade intrasslade fotoner. Vippningen av HWP1 påverkade höjdskillnaden av de rumsliga lägena mellan fotoner av första och understöder SPDC och orsakade en rumslig-funktionsläge mismatch på tillverkat av den Sagnac interferometeren. Troheten väntas bli högre när man använder single-mode fibrer som filtrerar ut spatial-läge-överlappande område av den genererade första och andra SPDC fotoner. Dessutom påverkade bibrytnings effekten av ppKTP Crystal det läge obalans mellan den första och andra SPDC fotoner. I framtiden kan vi möjligen förbättra parametrarna genom att använda ytterligare kompensations kristaller.
Protokollets betydelse är att förverkliga flera egenskaper samtidigt med hänsyn till befintlig metod. Källan till polariseringen intrasslade fotoner med protokollet har en hög utsläpps hastighet, är urarta, har en bredbands distribution, och är post-urval gratis. Den karakteristiska fördelen med protokollet är baserad på multipel kvantinterferens med hjälp av en dubbel-pass polarisering Sagnac interferometer. Det fotoniska systemet gör det möjligt att använda den stora generationens effektivitet polarisering intrasslade fotoner och att separera degenererade fotonen par i olika optiska lägen utan krav på postselection. Systemet med högpresterande polarisering intrasslade fotoner kan tillämpas för nya fotoniska Quantum informationsteknik1,2,3,4.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning stöddes av Research Foundation för OPTO-vetenskap och teknik, Japan. Vi tackar Dr Tomo Osada för de nyttiga diskussionerna.
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 |