光与连续波光学参量振荡器的量子态工程

摘要

我们描述了可靠的新一代移动光学领域，包括单光子态和相干态的叠加态，使用的非经典光通过光学参量振荡器发出的操作条件制备方法的非高斯状态。 I型和II型相位匹配的振荡器被认为与通用程序，例如所需要的频率滤波或零差检波的高效率的量子状态的表征，是详细。

摘要

工程电磁场的非经典态是一个中央寻求量子光学^1,2。超出了他们的根本意义，这样的状态确实实现各种协议，从加强计量量子通信和计算资源。各种装置可被用来产生非经典状态，如单发射器，光与物质的界面或非线性系统^3。我们在这里集中使用连续波光学参量振荡器^3,4的。这个系统是基于非线性^χ2晶体的光学腔内插入，并且它现在众所周知，作为非经典光，如单模或多取决于晶体双模压缩真空一种非常有效的源相位匹配。
压缩真空是一个高斯状态为正交分布遵循高斯统计。然而，已经表明，一些协议需要非高斯西安国^5。直接产生这样的状态是一个艰巨的任务，需要强大的^χ3非线性。另一个程序，概率但预示，组成为，通过对高斯态操作条件制备技术使用测量诱导的非线性。在这里，两个非高斯状态，单光子态和相干态的叠加，使用两个不同的相位匹配参量振荡器作为第一资源，我们的细节这一代的协议。这项技术使实现高逼真度与良好控制的时空模式的目标状态和发电状态的。

引言

工程师行驶光场量子态的能力对于量子信息科学与技术^1，包括量子通信，计算和测量中央的要求。在这里，我们讨论使用作为主要资源由低于阈值操作的连续波光学参量振荡器^3,4发出的光的一些特定量子态的制备和表征。具体来说，两个系统将被视为-一个II型相位匹配光参量振荡器和一个I型OPO -分别实现了可靠的新一代的预报单光子和光学相干态叠加（CSS）的形式，即状态|α > - | - α>。这些国家是为各种量子信息协议的实现的重要资源，从线性光学量子计算⁶光混合协议^5,7。显著的处理P这里反感允许获得真空和发射的低混合成良好控制的时空模式。

一般来说，量子态可以根据在相空间中的准概率分布称为Wigner函数^{W（X，P）8}的形状被分类为高斯状态和非高斯状态。对于非高斯状态，维格纳函数可以取负值，非古典的强烈签名。单光子或相干态的叠加态的确非高斯状态。

一种有效的方法，用于产生这样的状态被称为条件制备工艺，其中初始高斯资源是结合了所谓的非高斯测量诸如光子计数^{9,10,11,12,13。}这个总体方案，概率，但预示着，被描绘在图1a。

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图1（a）批准，制备技术的概念方案。 （b）由正交极化光子对（II型OPO）条件制备单光子态分离偏振分束器。（三）有条件通过从压缩真空态减去一个单光子相干态叠加的准备（I型OPO）。

通过测量一个二分纠缠态的一种模式，其他模式被投射到一个状态，这将依赖于这种测量和初始纠缠资源^12,13。

什么是需要的，以产生上述的状态所需要的资源和前驱探测器？单光子态可以使用双光束来产生， 即光子数相关联的光束。单p的检测豪腾在一个模式然后预示着在其他模式^9,10,14,15的单光子的产生。一个频率简并II型OPO ^16,17,18,19的确是一个非常适合源出于此目的。信号和闲散的光子光子数相关，与正交极化发射。检测在一个偏振模式的单光子突出的另一个成单个光子状态， 如图1b所示 。

关于相干态的叠加态，他们可以从获得的压缩真空态²⁰无论是脉冲单通参量下转换^11,21或由I型OPO ^22,23减去一个单光子产生。减法是通过攻丝的光的一小部分上的分束器和检测单个光子在这种模式下（ 图1c）上进行。压缩真空甚至光子数态的叠加，从而减去一个单光子商机以奇光子数态，因而具有较高的保真度等于和小幅度的两个相干态的线性叠加的叠加。出于这个原因，名称为"薛定谔小猫'有时被赋予这种状态。

用于产生这些状态的一般方法是这样相似，但不同的一次光源。的前驱路径和检测技术过滤是什么OPO的类型所使用的相同。本系列协议的细节如何从连续波光学参量振荡器生成这两个非高斯状态以及如何将它们以高效率的特点。

研究方案

1，光学参量振荡器

1. 建立一个4厘米长semimonolithic线性腔（改进的机械稳定性，减少腔内损耗）。输入镜直接涂布在一个面的非线性晶体。
2. 选择95％的输入耦合器反射的泵以532纳米和​​高反射为在1064纳米的信号光和闲频光。相反地​​，选择输出耦合器是高反射性的泵和透过率T = 10％的红外线。该OPO的自由光谱范围等于Δω= 4.3 GHz和带宽大约为60兆赫。使空腔三重共振， 即用于泵和用于下变频的字段。
3. 使用KTP晶体的II型OPO系统或PPKTP晶体的I型光参量振荡器。温度稳定的晶体在它们的相位匹配温度。
4. 使用作为激光源的连续波倍频Nd:YAG激光器。泵的OPO在532 nm和使用中当红外光，空间滤波由高精细度的空腔（模式清洁器），作为本地振荡器（LO）的零差检波后。
5. 实现所述泵和所述腔模式之间的模式匹配。
6. 由磅 - 德雷弗霍尔技术锁定在泵共振腔的长度。为了这个目的，应用12MHz的电光调制到泵和检测的光回射从同一个光隔离器的空腔中。

2条件准备:过滤的预示路径

1. OPO的输出分成两种模式。一个对应于所述前驱模式，而另一种是将由零差检测来检测出的预示状态。
2. 引导朝向单光子探测器的前驱模式。具体地，对于II型OPO，由偏振光分束器（PBS）中分离的正交信号和闲散的模式。对于I型OPO，挖掘出了压缩真空的一小部分（3％）分束器（BS）。
3. 过滤前驱模式，以消除由于OPO腔的频率非简并模式。对于一个OPO，输出的确包含许多成对相关，但频谱分离模式下_{，ω0 +Nδω}和_ω0-ωNδ其中n是一个整数。以产生预示的状态在载频，它是必要的，以过滤掉所有这些非简并模式。
   1. 先用一个干涉滤波器与0.5纳米的带宽。
   2. 添加一个自制的线性法布里 - 珀罗腔与自由光谱范围为330千兆赫和300兆赫（约0.4毫米，手腕大约1000的长度）的带宽。空腔的带宽被选择为比OPO和自由光谱范围为比干涉滤波器的频率窗口较大的一方大。
   3. 实现至少一个整体25分贝排斥非简并模式。
4. 锁定过滤法布里 -珀罗腔由抖动和锁定技术。
   1. 为了这个目的，通过一个光开关注入一个反方向传播辅助光束，并且在过滤腔由一个光隔离器的入口处拒绝它。检测到的光输出。
   2. 在10毫秒锁定腔和90毫秒与辅助光束折测量周期之后启动。
5. 在测量期间通过一个单光子检测器检测经滤波的前驱模式。超导单光子探测器（SSPD）是用来限制暗噪声量（几赫兹），否则将降低的条件状态的保真度。

3，量子态层析成像由零差检测

1. 检测所述预示着状态与平衡零差检测的50/50分束器，其中该字段来表征和强烈的连续波本地振荡器（LO，6毫瓦）的组成被带到干扰，并且对高量子EFF的iciency的InGaAs光电二极管。
2. 为了对齐检测，注入OPO腔明亮的辅助光束在1,064 nm和模式匹配此模式与LO模式。实现了条纹可见度接近于1。任何模式不匹配二次转化为检测的损失。
3. 检查零差检测性能。随着6毫瓦的LO功率，散粒噪声极限（SNL）是平高达50 MHz。它是电子噪音低分析主频（MHz），高于16 dB在50 MHz的分析频率高于20 dB以上。这个距离是一个非常重要的参数，因为它转化为在检测的损失（10分贝（20分贝）的距离转换成一个10％（1％）的有效损失^）24。
4. 用于从单光子检测器检测每个事件，与5 GS /秒的期间100纳秒的采样速率示波器记录的零拍光电流​​。在测量过程中扫描的LO相位用的PZT安装镜子。
5. 每个过滤段记录了GI法师时间模式函数来获取每个成功制备条件状态的单个积分值。的最优模式功能的低增益接近于一个双面指数函数²⁵与衰减常数等于OPO带宽的倒数。的最优模式也可以通过使用特征展开的自相关函数²⁶的发现。
6. 累积的测量（50000顷所需的断层扫描）和后处理的数据，最大似然算法^27。此过程使重建预示着状态的密度矩阵和相应的维格 ​​纳函数^8。

4，有条件的制备单光子态的具有II型OPO

1. 泵的II型OPO远低于阈值（1毫瓦这里进行了80毫瓦阈值）有一个非常低的多光子对的概率。

相干的5。准备条件态叠加与I型OPO

1. 检查该OPO接近临界值用频谱分析仪所产生的压缩真空。所测量的噪声谱示于图3。
2. 操作OPO的泵浦功率，能够观察挤在低边带频率（几兆赫）的约3分贝。
3. 在零差测量，相位信息是用于相位依赖状态，例如CSS的状态非常重要。扫描LO相位具有10赫兹的锯齿波具有90％的占空比（对应于90毫秒的测量周期和10毫秒的锁定期。）同步扫描，以确保在测量期间，有一个单一的的PZT安装反射镜的一个方向扫描。
4. 使用零差信号来测量的方差，然后推断测定正交的相位。

结果

对于II型OPO和高保真单光子态的产生:
在预示着状态的断层重建示于图2，其中所显示的重建的密度矩阵和相应的Wigner函数的对角元素。没有任何损失改正的，预示着国家呈现出单光子成分高达78％。考虑到整体的检测亏损（15％），状态达到91％与单光子状态的保真度。双光子元件，其导致从多光子对产生的下变频的过程中，被限制在3％左右。

对于I型OPO和CSS?...

讨论

这里提出的条件制备技术总是在初始偶资源和由前驱检测器进行测量之间的相互影响。这两种成分强烈影响所产生的状态的量子特性。

首先，将制备的状态的纯度在很大程度上依赖于初始资源中的一个，因此，一个'好'OPO是必需的。什么是"好"的OPO？它的量，逃生效率η接近一致的装置。参数η是由输出耦合器，T的传动比，并且该传输和腔内损耗（从散射或吸收在晶体中...

材料

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