Generación y Control coherente de peines de frecuencia pulsada Quantum

Resumen

Se presenta un protocolo para la generación de práctica y manipulación coherente de Estados de fotones de frecuencia multidimensional-bin enredado con cavidades de micro integradas y componentes de telecomunicaciones estándar, respectivamente.

Resumen

Se presenta un método para la generación y manipulación coherente de peines de frecuencia pulsada quantum. Hasta ahora, métodos de preparación de Estados de alta dimensión en el chip de una manera práctica han permanecido esquivos debido a la creciente complejidad de los circuitos cuánticos necesarios para preparar y procesar dichos Estados. Aquí, describimos cómo alta dimensión, frecuencia-bin enredado, Estados dos fotones pueden generarse a una velocidad estable, alta generación mediante el uso de una cavidad anidados, activamente bloqueado por el modo de excitación de una micro no lineal de la cavidad. Esta técnica se utiliza para producir peines de frecuencia pulsada quantum. Además, te presentamos cómo los estados cuánticos pueden ser coherente manipulados utilizando componentes de telecomunicaciones estándar filtros programables como moduladores electro-ópticos. En particular, mostramos detalladamente cómo realizar mediciones de caracterización del estado como la reconstrucción de la matriz de densidad, detección de coincidencia y determinación del espectro de fotones individuales. Los métodos presentados forman una Fundación reconfigurable, escalable y accesible para los protocolos de preparación y manipulación de estado multidimensional compleja en el dominio de la frecuencia.

Introducción

El control de fenómenos cuánticos abre la posibilidad de nuevas aplicaciones en campos tan diversos como quantum seguro comunicaciones¹,²y³de detección cuántica de procesamiento de la información de quantum de gran alcance. Mientras que una variedad de plataformas físicas están investigando activamente para las realizaciones de quantum technologies⁴, Estados cuánticos ópticos son candidatos importantes como exhiben tiempos largos de la coherencia y estabilidad de ruido externo, excelente propiedades de transmisión, así como la compatibilidad con los existentes de telecomunicaciones y tecnologías de silicio viruta (CMOS).

Para realizar plenamente el potencial de fotones para tecnologías cuánticas, contenido de la información y la complejidad del estado puede incrementarse mediante el uso de múltiples partidos enredados o alta dimensionalidad. Sin embargo, la generación de la en-viruta de esos Estados ópticos carece de practicidad como configuraciones son complicados, no perfectamente escalable, o utilizan componentes altamente especializados. Específicamente, enredo de la ruta de acceso multidimensional requiere fuentes idénticas emocionado coherente y elaborados circuitos de divisores de viga⁵ (donde es la dimensionalidad del estado), mientras que complejo entrelazamiento de tiempo Interferómetros de múltiples brazos⁶. Notablemente, el dominio de la frecuencia es adecuado para la generación escalable y control del complejo de los Estados, como lo demuestra su reciente explotación en quantum frecuencia peines (QFC)^7,8 usando una combinación de óptica integrada y de infraestructuras de telecomunicaciones⁹y proporciona un marco prometedor para tecnologías de la información cuántica futuro.

QFCs de la en-viruta se generan usando efectos ópticos no lineales en cavidades del micro integradas. Con tal no lineal micro-resonador, dos fotones enredados (conocidos como señal y rueda loca) se producen mezclando espontáneo cuatro-agite, a través de la aniquilación de dos fotones de excitación, con el par resultante generado en una superposición de la cavidad modos de frecuencia resonante uniformemente espaciados (figura 1). Si hay coherencia entre los modos de frecuencia individual, un estado de frecuencia-bin enredado es formado¹⁰, que se refiere a menudo como un modo-bloqueado dos fotones estado¹¹. Esta función de onda del estado puede ser descrita por,

Aquí, y son la loca de frecuencia unimodales y señal componentes, respectivamente, y es la amplitud de probabilidad para el par de modo señal loca - th.

Manifestaciones anteriores de la en-viruta QFCs destacan su versatilidad como plataformas de información cuántica viable e incluyen peines de fotones correlacionados¹²fotones polarización transversal¹³,^14,de fotones enredados^{15 , 16}, fotones múltiples estados¹⁵y frecuencia-bin enredado Estados^9,17. Aquí, ofrecemos una descripción detallada de la plataforma QFC y un protocolo para frecuencia multidimensional-bin enredado estado óptico generación y control.

Aplicaciones de futuro cuántico, especialmente aquellos para interconectar con la electrónica de alta velocidad (para el procesamiento de la información), exigen la alta tasa de generación de Estados de los fotones de alta pureza en una configuración compacta y estable. Utilizamos un esquema cavidad activa modo-bloqueado, anidados para producir QFCs dentro de las telecomunicaciones, las bandas de frecuencia S, C y L. Un anillo de micro se incorpora a una cavidad más grande laser pulsado, con aumento óptico (proporcionado por un amplificador de fibra dopada de erbio EDFA) filtrada para que coincida con el ancho de banda de micro anillo excitación¹⁸. Modo de bloqueo se realiza activamente mediante modulación de electro-óptico de la cavidad pérdidas¹⁹. Un aislador se asegura de que la propagación del pulso sigue una sola dirección. El tren de pulsos resultante tiene ruido muy bajo de la media cuadrática (RMS) y exhibe las tasas de repetición armoniosa y poderes de pulso. Un filtro de muesca de alto aislamiento separa los fotones emitidos de QFC desde el campo de excitación. Estos fotones solo entonces son guiados a través de las fibras para el control y detección.

Nuestro esquema es un paso hacia una alta tasa de generación, fuente QFC de tamaño pequeño, como todos los componentes utilizados potencialmente pueden ser integrados en un chip fotónico. Además, la excitación pulsada es particularmente adecuada para aplicaciones de quantum. En primer lugar, mirando un par de resonancias micro cavidad simétricas a la excitación, que genera dos fotones Estados donde cada fotón se caracteriza por una frecuencia única modo – central lineal cuántica óptica informática²⁰. Así, los Estados múltiples del fotón pueden ser generados por hacia regímenes de excitación de energía superiores y seleccionando múltiples pares señal loca¹⁵. En segundo lugar, como fotones se emiten en las ventanas de tiempo conocido corresponde a la excitación pulsada, post-proceso y control se pueden implementar para mejorar la detección de estado. Quizás más significativamente, nuestro esquema compatible con velocidades de alta generación de Estados del fotón con bloqueo de modo armónico sin reducir la proporción de coincidencia a accidental (coche) – que podría allanar el camino para la información cuántica de alta velocidad, varios canales tecnologías.

Para demostrar el impacto y la viabilidad del dominio de la frecuencia, debe realizarse control de QFC Estados de maneras específicas, garantizando las transformaciones eficientes y coherencia del estado. Para satisfacer tales requisitos, utilizamos filtros programables en cascada y moduladores de fase – componentes establecidos en la industria de telecomunicaciones. Filtros programables pueden utilizarse para imponer una amplitud espectral arbitraria y una máscara de fase de los fotones individuales, con una resolución suficiente para abordar cada modo frecuencia individualmente; y moduladores electro-ópticos fase impulsados por generadores de señal de radiofrecuencia (RF) facilitan la mezcla de componentes de frecuencia²¹.

El aspecto más importante de este esquema de control es que funciona en todos los modos de cuántica de los fotones simultáneamente en un solo modo espacial, utilizando los elementos de mando único. Aumenta la dimensionalidad del estado cuántico no conducirá a un aumento en la complejidad de la instalación, a diferencia de esquemas de ruta-tiempo-compartimiento o enredo. Así, todos los componentes son reconfigurable externamente (es decir, las operaciones pueden modificarse sin modificar la configuración) y utilizar la infraestructura de telecomunicaciones existente. Por lo tanto, existentes y futuros desarrollos en el campo de procesamiento óptico ultrarrápida pueden ser transferidos directamente al control de estados cuánticos escalable en el futuro.

En Resumen, la explotación del dominio de la frecuencia de QFCs apoya la generación de altas tasas de complejos estados cuánticos y su control y así está bien adapta para la utilización de complejos Estados hacia tecnologías cuánticas prácticas y escalables.

Protocolo

1. generación de la papelera de frecuencia multidimensional enredado Estados a través de excitación pulsada

1. Siguiendo el esquema que se indica en la figura 2 (etapa de generación), Conecte cada componente utilizando fibras ópticas-mantenimiento de la polarización (para mayor estabilidad ambiental).
2. Conectarse a una fuente de alimentación del modulador de amplitud electro-ópticos y aplicar un desplazamiento de tensión DC, ajuste el valor de desplazamiento hasta que la potencia óptica transmitida a través de ella es aproximadamente reduce a la mitad (medido con un medidor de potencia óptica), por ej., de tal manera que un pico valor de transmisión de 2 mW se parte en dos a 1 mW.
3. Mida la longitud de la cavidad externa aproximada. Calcular el espaciamiento de modo de cavidad externa usando la relación
   
   donde es el modo de la cavidad externa espaciamiento, c es la velocidad de la luz en el vacío, es el índice eficaz de la media de la cavidad, y L es la longitud de la cavidad externa. Por ejemplo, para 20 m de cavidad compuesta de fibra con un índice de refracción eficaz de 1.46, el espaciamiento de modo aproximado cavidad sería 10,2 MHz.
4. Encienda el EDFA iniciar lasing.
5. Inserte el fotodiodo rápido en la configuración en el acoplador de la cavidad o en otros puertos de anillo. Conecte la señal del fotodiodo a un osciloscopio para observar la intensidad del campo de excitación en el dominio del tiempo.
6. Establece la resolución de tiempo del osciloscopio en < 100 ps (a través de la perilla de escala horizontal) con el fin de resolver los pulsos ns-escala. En este paso, sin el modulador activado, la salida en el osciloscopio mostrará operación de pulso inestable con una calidad baja, tren de pulsos de alto ruido.
7. Conectar un generador de funciones al modulador de amplitud electro-ópticos. Establezca la frecuencia de salida del generador de función en el espacio de modo de cavidad externa (aproximada) encontradas sobre (o un armónico de la misma). Esta señal realiza el modo de bloqueo. Elija una forma de onda de pulso (rectangular) o para modulación de amplitud de la onda de seno. Encienda el generador de funciones.
8. Sintonizar la frecuencia del generador de función RF y DC offset para optimizar y estabilizar la forma del tren de pulso en el osciloscopio. Si se utiliza una señal pulsada de conducción, optimizar su ciclo de trabajo.
9. Ajustar manualmente la ganancia EDFA para reducir (o aumentar) la intensidad de pulso al régimen donde las propiedades de los fotones generados son como deseada por el usuario (el coche es una métrica útil aquí - ver abajo para más detalles sobre su medida). Para ello, comparar los histogramas respectivos coincidencia generados por la interfaz visual que viene con la electrónica de temporización.
10. Alimentar el canal de sincronización electrónica de sincronización con la señal de tren de pulso (detectada por el fotodiodo) o la señal de modo de bloqueo de RF para sincronizar los detectores de fotones individuales con la generación de pares de fotones.
11. Para aumentar la tasa de generación de las QFCs, unidad del modulador de modo de bloqueo en corrientes armónicas más altas del espaciamiento de frecuencia de la cavidad externa mientras que simultáneamente aumentar la ganancia EDFA para asegurar la misma energía por pulso, esto mantiene el fotón par coche mientras aumentar la tasa de producción de par (figura 3). Para ello, aumentar la frecuencia de salida del generador de función y la ganancia EDFA respectivamente.

2. control de la papelera de frecuencia multidimensional enredado Estados

1. Siguiendo el esquema que se indica en la figura 2 (etapa de Control), conectar todos los componentes con fibras mantenimiento de la polarización. Desde el filtro de la muesca en el esquema de generación, conectar en serie el primer filtro programable, modulador de fase y segundo filtro programable. Por último conectar los detectores de fotones individuales para fines de medición.
2. Operación de filtro programable
   Nota: Dependiendo de la aplicación y medición específica se realiza, los parámetros de control de la QFC variará y las máscaras de fase y amplitud aplicadas a los modos de frecuencia se determinará en consecuencia. La máscara de amplitud puede utilizarse para atenuar o bloquear ciertos modos de frecuencia y la máscara de fase puede impartir un desplazamiento de fase arbitrario en cada modo.
   1. Determinar las máscaras necesarias para la aplicación y medición deseada.
   2. A través de la interfaz visual de filtro programable²², fijar la amplitud de los canales de modo de la frecuencia deseada y atenuar todos los demás.
   3. Del mismo modo, aplicar la máscara de fase (la fase aplicada a los canales no deseados es poco importante, ya que son totalmente atenuadas). Controlar el filtro programable con una interfaz visual donde se seleccionan las frecuencias deseadas.
3. Modulación de la fase de operación
   1. Usando modulación de fase, impulsado por una señal periódica, divide cada componente espectral en bandas laterales espaciadas uniformemente por la frecuencia del generador de señal que está impulsando el modulador de fase. Se utiliza para mezclar varios modos cuánticos diferentes frecuencia, análogos con divisores de viga espaciales en esquemas de enredo de la ruta. En el régimen cuántico, modulación de fase electro-ópticos se considera un quántum dispersión operación²³.
   2. Determinar los modos de frecuencia de destino (depende de y el medición y procesamiento se realiza) y calcule el patrón de tensión (frecuencia y amplitud para un generador de onda senoidal) para optimizar la (ver más abajo algunos de los valores detalles sobre esto).
   3. Conecte el generador de señal al amplificador de RF usando cables de bajas pérdidas (tales como cables SMC). Conectarse a la salida del amplificador de RF del modulador de fase, también utilizando cables de RF adecuados. Una vez que todos los extremos RF están conectados y correctamente terminado, la polarización del amplificador de RF.
   4. Asegúrese de que el amplificador de RF tiene suficiente potencia de salida para el modulador electróptico fase con la tensión suficiente para satisfacer las condiciones deseadas de la mezcla, estos son del orden de varios (el voltaje de media onda del modulador de fase). Además, asegúrese de que los cables de RF y conectores son adecuados para la gama de ancho de banda y frecuencia de la señal de conducción.
   5. Ajustar el generador de señal de RF (que está impulsando el modulador de fase) a una frecuencia que se superpondrá los modos deseados con las bandas laterales creados (e.g., 33 GHz).
   6. Encienda el generador de señal para mezclar los modos de frecuencia.
   7. Para verificar que se aplique la modulación correcta, enviar un láser de onda continua a través del modulador de fase y compruebe que el espectro de salida corresponde a la modulación prevista utilizando un analizador de espectro óptico (los parámetros de modulación pueden ser más optimizado, véanse las notas).
      Nota: Optimización de la mezcla de modos de frecuencia (que determinan la función óptima frecuencia y amplitud) es altamente dependiente en el esquema de mezcla deseado, experimentar realizando y dimensionalidad del estado . Si es posible, los sistemas de mezcla deben mezclar modos de cerca el modo de frecuencia inicial (en bandas laterales baja enteros) para aumentar la eficacia de la mezcla. Por ejemplo, si , la mezcla se recomienda que se produzca a mitad de camino entre los modos de dos frecuencia (por lo tanto, la modulación de fase debe conducir en una frecuencia que tiene un número entero múltiple igual a la mitad la frecuencia cuántica de modo espaciado o libre rango espectral (FSR)). Sin embargo, para , mezcla se recomienda en el modo de frecuencia de centro (fase de modulación se debe conducir en una frecuencia con un número entero múltiple igual que el FSR). Por ejemplo, con y micro cavidad GHz, la modulación de fase de señal de conducción se encuentra a 33,33 GHz que la banda lateral se traslapa con los modos de frecuencia vecina - dejando suficiente intensidad en el centro modo de la frecuencia. Esto da como resultado la superposición de bandas laterales vecinas modos de , y en el modo de frecuencia central . La figura 4a se visualiza un ejemplo del proceso de modulación y los coeficientes de banda lateral. Cada modo de frecuencia sufre la misma modulación de fase y crea la misma distribución de banda lateral, pero centrado sobre el modo de frecuencia original (figura 4a). Para un modo de frecuencia única, las amplitudes de banda lateral son calculadas como los coeficientes de Fourier de la serie²⁴,
      
      donde se transfiere la amplitud a la banda lateral -th, es la frecuencia del modulador de fase controlado, es el patrón de modulación de fase (periódicos con frecuencia ), y es el argumento de la función de modulación periódica (). Para una señal sinusoidal de conducción, , las amplitudes de banda lateral se describen por la expansión de la ira de Jacobi,
      
      
      donde es el orden -ésima función de Bessel de la primera clase evaluada en y es el desplazamiento de fase máxima (donde es la amplitud de la tensión de la señal de conducción del solo-tono).

3. proceso de la papelera de frecuencia multidimensional enredado Estados

1. Espectro de fotones individuales
   1. Insertar un detector del fotón después de la filtración del campo de excitación de QFC, a la salida de un filtro programable.
   2. Través de los programas informáticos de filtro programable, azotan el ancho de banda de filtro programable completo utilizando una máscara de amplitud del filtro bandpass estrecho, medir tasas de conteo de fotones en función de la frecuencia. Por ejemplo, si un visual interfaz y control script en MATLAB se usa (que está integrada con el control de filtro programable y electrónica de sincronización), introduzca los valores de ancho de banda de filtro deseado y paso número y haga clic en "Ejecutar". Asegúrese de que cuenta con suficiente tiempo de integración para obtener fotones adecuados.
   3. Para reconstruir el espectro de estos datos, trama (por ejemplo, utilizando un script de Matlab) de las tasas de conteo de fotones contra la correspondiente longitud de onda (bandpass filtro centro) donde fueron adquiridos.
2. Medida de la coincidencia
   1. Para realizar una medida de la coincidencia, partida y la ruta de la señal y fotones más ociosos para separar los detectores de fotones individuales. Si el filtro programable tiene varios puertos, se usa para realizar la separación. De lo contrario, insertar una división de longitud de onda densa multiplexor (DWDM) antes de los detectores de fotones individuales y utilice esto para enrutar los fotones.
   2. Seleccione una señal y un par (por ejemplo, las segunda líneas de resonancia respecto a la frecuencia de excitación, 2 señal y rueda loca-2) usando el programable filtro (a través de la interfaz de software suministrado) y ruta a los dos detectores de fotones individuales separados. Por ejemplo, para el software de WaveManager, haga clic en el submenú del control Flexgrid, haga clic en "Agregar" y entrar en el puerto de salida y longitud de onda para el canal elegido²².
   3. Registrar el tiempo de llegada de la señal y rueda locos fotones usando el convertidor de tiempo-a-digital. De estas mediciones, calcular el tiempo de retardo entre los dos fotones. Trazar un histograma (por ejemplo, utilizando un script de Matlab) de coincidencia cuenta para un intervalo de tiempo entre la señal y rueda loca, esto proporciona una medida de la coincidencia.
      Nota: La métrica de coche compara el número de cuenta verdadera coincidencia de los pares de fotones generados con las cuentas de la coincidencia accidental de fotones múltiples procesos y cuentas oscuras.
   4. De la medida anteriormente calculado, anote el número de cuentas en el pico del centro (coincidencias de fotones producidos en el mismo pulso, centrado en el retraso cero, ), que es el valor de coincidencia.
   5. Anote el número promedio de cuentas en cada lado-pico (coincidencias de fotones producción en pulsos diferentes, donde está un múltiplo del pulso, es decir., el inverso de la tasa de repetición de pulso), que es el valor accidental.
      Nota: El coche es simplemente la relación entre estos dos valores (valor de valor/accidental coincidencia).
3. Reconstrucción de la matriz de densidad
   Nota: El proceso de reconstrucción de la matriz de densidad depende de varios parámetros del estado cuántico: la dimensionalidad de los fotones, el número de fotones, y de que modos se miden. El número de medidas bruto requerido es igual al, dondees la dimensionalidad yes el número de fotones. Así, por ejemplo, un par de dos fotones con una dimensionalidad dese requieren 81 medidas. Este protocolo describirá el proceso general para la reconstrucción de la matriz de densidad, con ejemplos de un par defotones de frecuencia modo.
   1. Determinar un conjunto de vectores de la base para el estado deseado y un conjunto de vectores de proyección (véase abajo para más detalles sobre cómo elegir adecuadamente estos).
   2. Con una medida de la coincidencia, utilice ya sea un filtro programable o una señal de ruta DWDM y fotones más ociosos para separar detectores de fotones individuales.
   3. Mediante el control de software de filtro programable, seleccionar los modos de frecuencia deseada y atenuar todos los demás. Establecer la fase valores de máscara de realizar cada proyección wavevector individualmente y registrar una medida de la coincidencia. Es importante permitir que el mismo tiempo de integración entre diferentes proyección coincidencia cuentas.
   4. Utilizando un script de ordenador personalizado, calcular la matriz de la densidad de los fotones usando las medidas de cuenta cruda de coincidencia de cada wavevector de proyección (véase abajo para los detalles computacionales pertinentes).
      Nota: Al determinar los vectores de la base para la medición de la matriz de densidad, debe abarcar el espacio de estado. Para el caso del ejemplo, los vectores de base son
      
      Para un estado , la matriz de la densidad describe el estado del quántum,
      
      La matriz de densidad para cualquier sistema físico real debe ser una matriz definida positiva, hermítica - pero debido al ruido, esto puede no siempre ser el caso. En el caso de ejemplo con las bases solicitadas, el wavevector para el estado de máximo enredado de frecuencia ideal puede representarse como
      
      y por lo tanto, la matriz de densidad teórica sería:
      
      Se toman mediciones de la proyección de una serie de proyección wavevectors, . Se da cuenta de la coincidencia para cada proyección como,
      
      donde es una constante (ver definición abajo).
   5. Seleccione un conjunto ortogonal de , normalizados matrices, , que
      
      donde es el rastro, es la dimensión es el número de fotones, y es la función delta de Kronecker. Estas matrices se pueden construir usando el especial unitario SU () generadores (que son ), junto con la matriz identidad, a través de todo posible tensor producto combinaciones²⁵. Vea a continuación las matrices orthogonal del caso ejemplo.
   6. Reconstruir la matriz de densidad, , a través de las siguientes relaciones,
      
      
      
      
      donde es el fotón que cuenta para el vector de proyección -th, son los vectores de proyección (ver siguiente paso), donde y se calculan según la definición de la ecuación.
      Nota: Proyección wavevectors para el caso del ejemplo son,
      
      
      
      
      
      
      
      
      Experimentalmente, se observan los wavevectors impartiendo el desplazamiento de fase apropiado en cada modo mediante el filtro programable. Consulte la anterior publicación²⁵ para la discusión sobre vectores proyección. El conjunto ortogonal de matrices, para el ejemplo de caso se eligen primero usando los generadores SU(3) junto con la matriz identidad,
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      y se calculan como,
      
   7. Para una discusión más detallada de la reconstrucción de multidimensional estado, consulte referencia 25 ²⁵.

Resultados

El esquema delineado para la generación y control de los Estados de frecuencia multidimensional-bin (basado en la excitación de no lineales micro cavidades, figura 1) se muestra en la figura 2. Esta configuración utiliza componentes estándar de las telecomunicaciones y es altamente flexible en la tasa de producción de fotones y el proceso aplicado. La figura 3 muestra la caracterización del sis...

Discusión

El óptico-dominio de la frecuencia, a través de QFCs, es una ventajoso en aplicaciones de quantum para una multitud de razones. Operaciones son globales, actuando sobre todos los Estados simultáneamente, que resulta en un diseño que no escala en tamaño o complejidad a medida que aumenta la dimensión de estado. Esto es mayor como pueden ser reconfigurada sobre la marcha sin cambiar la configuración de los componentes y son capaces de ser integrados en el chip explotando existentes o desarrollo de infraestructuras d...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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