الدولة الكم هندسة الضوء مع استمرار موجة حدودي البصرية المذبذبات

Summary

نحن تصف الجيل موثوقة من الدول غير التمويه من السفر المجالات البصرية، بما في ذلك الدول واحدة من الفوتون وتراكبات متماسكة الدولة، وذلك باستخدام طريقة إعداد مشروطة تعمل على ضوء غير الكلاسيكية المنبعثة من مؤشرات التذبذب حدودي البصرية. تعتبر النوع الأول والنوع الثاني مؤشرات التذبذب مطابقة المرحلة والإجراءات المشتركة، مثل تصفية التردد المطلوب أو ذات الكفاءة العالية وتوصيف الحالة الكمومية التي كتبها homodyning، هي مفصلة.

Abstract

الهندسة الدول غير الكلاسيكية للمجال الكهرومغناطيسي هو السعي المركزية للبصريات الكم ^1،2. أبعد من أهميتها الأساسية، مثل هذه الدول هي في الواقع الموارد اللازمة لتنفيذ البروتوكولات المختلفة، بدءا من تعزيز المقاييس إلى التواصل الكم والحوسبة. مجموعة متنوعة من الأجهزة يمكن أن تستخدم لتوليد الدول غير التقليدية، مثل بواعث واحدة، واجهات خفيفة المسألة أو أنظمة غير الخطية ^3. ونحن نركز هنا على استخدام المستمر الموجة الضوئية حدودي مذبذب ^3،4. ويستند هذا النظام على χ غير الخطية ² الكريستال إدراجها داخل تجويف بصري والآن معروفة بأنها مصدر فعالة جدا من الضوء غير التقليدية، مثل طريقة واحدة أو وضع اثنين من فراغ تقلص اعتمادا على الكريستال مرحلة مطابقة.
فراغ تقلص دولة التمويه على النحو التالي توزيعات التربيع لإحصاءات التمويه. ومع ذلك، فقد تبين أن عدد من البروتوكولات تتطلب غير غاوس-سيان تنص ^5. توليد مباشرة هذه الدول هي مهمة صعبة وتتطلب χ قوية غير linearities ^3. إجراء آخر، ولكن الاحتمالية بشرت، يتكون في استخدام اللاخطية التي يسببها قياس عبر تقنية إعداد مشروطة تعمل على الدول جاوس. هنا، ونحن من التفصيل هذا الجيل بروتوكول للدولتين غير التمويه، ودولة واحدة من الفوتون وتراكب الدول متماسكة، وذلك باستخدام اثنين من مختلف المتطابقة مرحلة التذبذب حدودي عن الموارد الأولية. هذه التقنية تتيح تحقيق الدقة العالية مع الدولة المستهدفة وجيل من الدولة في وضع الزمانية المكانية تسيطر عليها بشكل جيد.

Introduction

القدرة على مهندس الدولة الكم من السفر حقول البصرية هو مطلب مركزي للعلوم والتكنولوجيا ¹ الكم من المعلومات، بما في ذلك الاتصالات الكم، والحوسبة والمقاييس. هنا، ونحن نناقش إعداد وتوصيف بعض الدول الكم محددة باستخدام كمورد أساسي للضوء المنبعث من استمرار موجة التذبذب حدودي البصرية ^3،4 تعمل تحت عتبة. على وجه التحديد، سيتم النظر نظامان - وهو النوع الثاني OPO مطابقة المرحلة ونوع-I OPO - تمكين التوالي الجيل موثوقة من بشرت الفوتونات واحد وتراكبات البصرية متماسكة الدولة (CSS)، أي الدول من النموذج | α > - | α>. هذه الدول هي الموارد الهامة لتنفيذ مجموعة متنوعة من البروتوكولات المعلومات الكم، بدءا من الخطية الكم الضوئية حساب ⁶ إلى البروتوكولات الهجينة البصرية ^5،7. إلى حد كبير، وطريقة ع استياء هنا يسمح الحصول على خليط منخفض من فراغ والانبعاثات إلى وضع الزمانية المكانية تسيطر عليها بشكل جيد.

وبصفة عامة، يمكن تصنيف الدول كدول الكم التمويه والدول غير التمويه وفقا لشكل توزيع شبه احتمال في الفضاء مرحلة تسمى فيغنر ظيفة W (س، ص) ^8. بالنسبة للدول غير جاوس، ويمكن وظيفة فيغنر تأخذ القيم السلبية، توقيع قوي من غير كلاسيكاليتي. واحدة من الفوتون أو تراكبات متماسكة الدولة هي في الواقع الدول غير جاوس.

ومن المعروف إجراء كفاءة لتوليد دولا مثل تقنية إعداد المشروطة، حيث يتم الجمع بين موردا التمويه الأولي مع ما يسمى القياس غير التمويه مثل الفوتون العد ^{9،10،11،12،13.} ورسم هذا المخطط العام، ولكن الاحتمالية بشرت، على الشكل 1A.

"FO: محتوى العرض =" 5IN "FO: SRC =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg "/>
الشكل 1 (أ) مخطط المفاهيمي للتقنية إعداد الشرطي. (ب) إعداد الشرطي دولة واحدة من الفوتون من أزواج الفوتون المستقطب متعامد (النوع الثاني OPO) فصل على شعاع الخائن الاستقطاب. (ج) إعداد الشرطي تراكب متماسكة الدولة من خلال طرح والفوتون واحد من دولة فراغ تقلص (النوع الأول OPO).

عن طريق قياس وضع واحد من دولة ثنائية متشابكا، ومن المتوقع وضع الأخرى في الدولة التي سوف تعتمد على هذا القياس وعلى الموارد الأولية متشابكا ^12،13.

ما هي الموارد المطلوبة وكشف عن التبشير اللازمة لتوليد الدول المذكورة آنفا؟ يمكن أن تتولد الدول أحادية الفوتون باستخدام الحزم التوأم، أي العدد الفوتون المترابطة الحزم. والكشف عن واحدة فhoton على وضع واحد ثم يبشر الجيل من الفوتون واحد على طريقة أخرى ^{9،10،14،15.} A التردد المنحطة النوع الثاني OPO ^{16،17،18،19} هو في الواقع مصدر مناسبة تماما لهذا الغرض. إشارة والمهمل الفوتونات هي الفوتون عدد المترابطة والمنبعثة مع الاستقطابات متعامدة. الكشف عن واحدة من الفوتون على وضع الاستقطاب احد مشاريع والآخر في دولة واحدة من الفوتون، كما هو مبين في الشكل 1B.

فيما تراكبات متماسكة الدولة، فإنها يمكن أن تتولد عن طريق طرح على بعد فوتون واحد من حالة فراغ ضغط ²⁰ تم الحصول عليها إما عن طريق نابض مرور واحد حدودي أسفل أو عن طريق التحويل ^11،21 نوع-I OPO ^22،23. يتم تنفيذ الطرح من خلال استغلال جزء صغير من الضوء على الحزم الخائن وكشف فوتون واحد في هذا الوضع (الشكل 1C). فراغ تقلص هو تراكب حتى الدول الفوتون العدد، وبالتالي طرح ويؤدي واحدة من الفوتونإلى تراكب الغريب الدول الفوتون العدد، والتي لديها الدقة العالية مع تراكب خطي من دولتين متماسكة من السعة متساوية وصغيرة. لهذا السبب، وقد أعطيت اسم 'شرودنغر القط' في بعض الأحيان لهذه الدولة.

الإجراء العامة لتوليد هذه الدول وبالتالي مماثلة، ولكن يختلف من مصدر الضوء الأساسي. تصفية المسار وكشف أساليب التبشير هي نفسها بغض النظر عن نوع OPO المستخدمة. هذه السلسلة من البروتوكولات بالتفصيل كيفية توليد هذه الدول غير جاوس اثنين من استمرار موجة التذبذب حدودي البصرية وكيفية تميز بها بكفاءة عالية.

Protocol

1. الضوئية حدودي المذبذب

1. بناء تجويف الخطية semimonolithic 4 سم طويلة (لتحسين الاستقرار الميكانيكية وتقليل الخسائر داخل التجاويف). وهي مغلفة المرآة المدخلات مباشرة على وجها واحدا من وضوح الشمس غير الخطية.
2. اختيار انعكاس مقرنة المدخلات من 95٪ للمضخة في 532 نانومتر، وارتفاع انعكاس للإشارة والمهمل في 1،064 نانومتر. عكسيا، اختر مقرنة الانتاج لتكون عاكسة للمضخة والنفاذية T = 10٪ للأشعة تحت الحمراء. المدى الطيفي خالية من OPO يساوي 4.3 غيغاهرتز Δω = وعرض النطاق الترددي حوالي 60 ميغاهرتز. جعل تجويف الرنانة ثلاثة أسباب، أي للمضخة وللحقول تحويلها إلى أسفل.
3. استخدام الكريستال KTP لنظام OPO النوع الثاني أو الكريستال PPKTP لنوع-I OPO. درجة الحرارة تحقيق الاستقرار في بلورات في درجات حرارة مطابقة المرحلة الخاصة بهم.
4. استخدام الليزر كمصدر تردد الموجة المستمرة الضعف الثانية: YAG الليزر. ضخ OPO في 532 نانومتر، واستخدام فيضوء frared، بعد تصفية المكانية عن طريق تجويف عالية الجودة (وضع أنظف)، كما مذبذب محلي (LO) للكشف متجانسة التقارن.
5. تحقيق وضع مطابقة بين المضخة ووضع تجويف.
6. قفل طول تجويف على صدى مضخة بواسطة تقنية الجنيه-Drever هول. لهذا الغرض، وتطبيق 12 ميغاهيرتز الكهربائية الضوئية التشكيل إلى المضخة وكشف عن الضوء المنعكس الخلفي من تجويف مع المعزل البصرية.

2 إعداد الشرطي: تصفية مسار التبشير

1. فصل الانتاج OPO في وضعين. واحد يتوافق مع وضع التبشير، في حين أن الآخر هو الدولة بشرت التي سيتم الكشف عنها بواسطة الكشف متجانسة التقارن.
2. توجيه وضع التبشير نحو كاشف واحدة من الفوتون. على وجه التحديد، لOPO النوع الثاني، فصل الإشارات والمهمل وسائط متعامد بواسطة شعاع الخائن الاستقطاب (PBS). لنوع-I OPO، والاستفادة من جزء صغير (3٪) من فراغ تقلص من قبلشعاع الخائن (BS).
3. تحديد وضع التبشير لإزالة التردد وسائط غير المنحطة، ويرجع ذلك إلى تجويف OPO. لOPO، والناتج يحتوي على العديد من الواقع ولكن المترابطة فصل طيفيا وسائط البشرى، ω ₀ + nΔ _ω ω _{و0-nΔ ω} حيث n هو عدد صحيح. لإنشاء دولة بشرت في تردد الناقل، فمن الضروري لتصفية كل من هذه الأوضاع غير المنحطة.
   1. أولا استخدام عامل تصفية متداخلة مع عرض النطاق الترددي من 0.5 نانومتر.
   2. إضافة محلية الصنع الخطية فابري بيرو تجويف مع مجموعة الطيفية خالية من 330 غيغاهرتز، وعرض النطاق الترددي 300 ميغاهيرتز (طول حوالي 0.4 مم والجودة في جميع أنحاء 1،000). يتم اختيار عرض النطاق الترددي تجويف أن يكون أكبر من واحد من OPO والمدى الطيفي تتردد في أن تكون أكبر من إطار التردد من مرشح متداخلة.
   3. تحقيق ما لا يقل عن 25 ديسيبل على الرفض الشامل لأوضاع غير المنحطة.
4. قفل الترشيح فابري-بيرو تجويف بواسطة تقنية ارتجف وقفل.
   1. لهذا الغرض، حقن الوراء نشر شعاع المساعدة عن طريق التبديل البصرية ورفضه عند مدخل تجويف تصفية من قبل المعزل البصرية. كشف الضوء في الإخراج.
   2. قفل تجويف خلال 10 مللي ثانية وتبدأ بعد فترة القياس عن 90 ميللي ثانية مع مساعدة من شعاع.
5. الكشف عن وضع التبشير تصفيتها بواسطة كاشف واحد الفوتون خلال فترة القياس. ويستخدم فائقة التوصيل للكشف عن واحدة من الفوتون (SSPD) للحد من كمية الضجيج الظلام (هرتز قليلة)، والتي لولاها تحط من الإخلاص للدولة مشروطة.

3. الكم الدولة المقطعي بواسطة الكشف متجانسة التقارن

1. كشف الدولة بشرت مع الكشف متجانسة التقارن متوازنة تتألف من 50/50 شعاع الخائن حيث الحقل لتوصيف والمستمر موجة مذبذب محلية قوية (LO، 6 ميغاواط) يتم إحضارها للتدخل، وزوج من الكم عالية ممثل المؤسسةiciency InGaAs فوتوديوديس.
2. من أجل التوفيق بين الكشف، وضخ في تجويف OPO شعاع مشرق مساعدة في 1،064 نانومتر والمباراة وضع هذا الوضع مع وضع LO. تحقيق الرؤية هامش بالقرب من الوحدة. أي عدم تطابق وضع يترجم إلى خسائر تربيعيا الكشف.
3. تحقق من خصائص الكشف متجانسة التقارن. مع قوة LO من 6 ميغاواط، والحد من الضوضاء النار (SNL) مسطح يصل إلى 50 ميغاهرتز. هو أكثر من 20 ديسيبل فوق ضجيج الإلكترونية في تحليل التردد المنخفض (ميغاهيرتز)، و 16 ديسيبل أعلاه على التردد تحليل 50 ميغاهيرتز. هذه المسافة هي معلمة حرجة لأنه يترجم إلى خسائر في الكشف (يترجم مسافة 10 ديسيبل (20 ديسيبل) إلى خسارة 10٪ (1٪) فعالة) ^24.
4. لكل حدث الكشف عن كاشف واحد الفوتون، تسجيل photocurrent متجانسة التقارن مع الذبذبات مع معدل أخذ العينات من 5 ع / ثانية خلال 100 نانو ثانية اكتساح المرحلة LO مع مرآة مثبتة على PZT أثناء القياس.
5. تحديد كل جزء سجلت مع غيفين الزمانية وظيفة واسطة للحصول على كل الإعداد الناجح قيمة التربيع واحد للدولة مشروطة. وظيفة الوضع الأمثل لتحقيق مكاسب منخفض قريب من الدالة الأسية على الوجهين ²⁵ مع ثابت الانحلال يساوي معكوس عرض النطاق الترددي OPO. ويمكن أيضا وضع الأمثل يمكن العثور عليها باستخدام التوسع eigenfunction وظيفة الارتباط الذاتي ^26.
6. تتراكم القياسات (50،000 مطلوبة من أجل التصوير المقطعي) وآخر عملية البيانات مع خوارزمية أقصى ^{احتمال-27.} تمكن هذا الإجراء إعادة بناء مصفوفة الكثافة الدولة بشرت وظيفة فيغنر الموافق ^8.

4. إعداد الشرطي واحدة فوتون الدولة مع النوع الثاني OPO

1. ضخ النوع الثاني أقل بكثير من عتبة OPO (1 ميغاواط هنا لعتبة 80 ميغاواط) لديهم احتمال ضعيف جدا من أزواج multiphoton.

5. إعداد الشرطي المتماسكتراكب الدولة مع النوع الأول OPO

1. تحقق الفراغ تقلص الناتجة عن OPO على مقربة من عتبة مع محلل الطيف. وتظهر أطياف الضوضاء يقاس في الشكل 3.
2. تشغيل OPO في السلطة مضخة تمكين مراقبة حوالي 3 ديسيبل من الضغط على ترددات منخفضة الجانبي (ميغاهرتز قليلة).
3. في قياس متجانسة التقارن، المعلومات المرحلة من المهم بالنسبة للدول التي تعتمد على المرحلة مثل الدولة CSS. مسح المرحلة LO مع موجة سن المنشار 10 هرتز مع دورة العمل من 90٪ (الموافق 90 ميللي ثانية من فترة القياس و 10 ميللي ثانية من فترة قفل.) تزامن الاجتياح للتأكد من أنه خلال فترة القياس، وهناك واحد اكتساح الاتجاه احدة من المرآة التي شنت PZT.
4. استخدام إشارة متجانسة التقارن لقياس التباين ومن ثم استنتاج المرحلة من التربيع قياسها.

النتائج

لOPO النوع الثاني وتوليد عالية الدقة للدولة فوتون واحد:
يظهر الإعمار تصوير الشعاعي الطبقي للدولة بشرت في الشكل 2، حيث يتم عرض العناصر قطري مصفوفة الكثافة أعيد بناؤها وظيفة فيغنر المقابلة. دون أي تصحيحات الخسارة، الدولة بشرت يسلك مكون واحد الفوتون عالية م?...

Discussion

تقنية إعداد المشروط المقدمة هنا هو دائما التفاعل بين الموارد الثنائية الأولية وقياس يؤديها كاشف التبشير. هذين العنصرين تأثيرا قويا على خصائص الكم للدولة ولدت.

الأولى، ونقاء من الدول مستعدة يعتمد بشدة على واحد من الموارد الأولية...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Pump laser	Innolight	Diabolo	Dual output, IR and 532 nm
KTP and PPKTP crystal	Raicol		Available from other vendors
Interferential filters	Barr associates
High efficiency photodiodes	Fermionics		Quantum efficiency above 97%
Oscilloscope	Lecroy	Wave runner 610 Zi	Used for data acquisition
Spectrum analyser	Agilent	N9000A	Available from other vendors
Faraday rotator	Qioptic	FR-1060-5SC	Available from other vendors
PZT	PI	P-016.00H	Available from other vendors
Superconducting single-photon detectors	Scontel	SSPD	low dark counts
Optical switch	Thorlabs	OSW12-980E	Available from other vendors