הנדסה הקוונטית מדינה של אור עם גל רציף מתנדים אופטיים פרמטרים

Summary

אנו מתארים את הדור אמין של מדינות שאינן גאוס של נסיעה שדות אופטיים, כולל מדינות פוטון יחיד וsuperpositions המדינה קוהרנטי, תוך שימוש בשיטת הכנה מותנית פעלה באור שאינו קלאסי הנפלט על ידי מתנדים פרמטרים אופטיים. מתנדים בהתאמה שלב Type-I וסוג II נחשבים ונהלים משותפים, כגון סינון התדירות הנדרש או את אפיון מצב קוונטי יעילות גבוהה על ידי homodyning, מפורטים.

Abstract

הנדסת מדינות שאינן קלאסיות של השדה האלקטרומגנטי היא שאיפה מרכזית לאופטיקה קוונטית ^1,2. מעבר למשמעות הבסיסית שלהם, מדינות כאלה הן אכן המשאבים ליישום פרוטוקולים שונים, החל המטרולוגיה משופרת לתקשורת קוונטית ומחשוב. מגוון רחב של מכשירים ניתן להשתמש כדי ליצור מצבים שאינם קלאסיים, כגון קרינה אחת, ממשקי אור עניין או מערכות שאינן ליניארי ^3. אנו מתמקדים כאן על השימוש במתנד פרמטרים אופטיים רציף גל ^3,4. מערכת זו מבוססת על גביש χ אינו ליניארי ² מוכנס בתוך חלל אופטי וכיום הוא ידוע כמקור יעיל מאוד של אור שאינו קלאסי, כגון במצב יחיד או ואקום סחט שני מצב בהתאם לגביש התאמת שלב.
ואקום לחץ הוא מדינה גאוס כהפצות נצב לעקוב אחר סטטיסטיקת גאוס. עם זאת, זה כבר הראה כי מספר פרוטוקולים דורשים שאינו Gausסיאן קובע ^5. יצירה ישירות מדינות כאלה היא משימה קשה וידרוש χ החזק ³ אינו linearities. נוהל אחר, הסתברותי אבל בישרו, כולל בשימוש שאינם ליניאריות-Induced מדידה באמצעות טכניקת הכנה מותנית המופעלת על מדינות גאוס. הנה, פרט אנו פרוטוקול הדור הזה לשתי מדינות שאינן גאוס, מדינת הפוטון היחיד וסופרפוזיציה של מצבי קוהרנטי, תוך שימוש בשני מתנדים פרמטרית שונה בהתאמה שלב כמשאבים עיקריים. טכניקה זו מאפשרת השגת נאמנות גבוהה עם מדינת היעד ודור המדינה במצב spatiotemporal מבוקר היטב.

Introduction

היכולת להנדס את המצב הקוונטי של נסיעה שדות אופטיים היא דרישה מרכזית למדע מידע קוונטים וטכנולוגיה ^1, כוללים תקשורת קוונטית, מחשוב ומטרולוגיה. כאן, אנו דנים הכנה ואפיון של כמה מצבים קוונטיים ספציפיים באמצעות כמשאב עיקרי האור הנפלט ע"י מתנדים פרמטרים אופטיים רציף גל ^3,4 פעלו מתחת לסף. באופן ספציפי, שתי מערכות ייחשבו - OPO בהתאמה שלב מסוג II וסוג אני OPO - מה שמאפשר בהתאמה הדור אמין של יחיד פוטונים בישרו ושל מצבים אופטיים קוהרנטית מדינה (CSS), כלומר מדינות של הטופס | α > - |> Α-. מדינות אלה הן משאבים חשובים ליישום במגוון של פרוטוקולי מידע קוונטים, החל חישוב קוונטים אופטיים ליניארי ⁶ לפרוטוקולים היברידיים אופטיים ^5,7. באופן משמעותי, עמ 'השיטה התרעם כאן מאפשר קבלת תערובת נמוכה של אבק והפליטה למצב spatiotemporal מבוקר היטב.

באופן כללי, ניתן לסווג מצבים קוונטיים כמדינות גאוס ומדינות שאינם גאוס על פי צורת ההתפלגות מעין ההסתברות במרחב שלב שנקראה W ויגנר פונקציה (x, עמ ') ^8. למדינות שאינן גאוס, פונקצית יגנר יכולה לקבל ערכים שליליים, חתימה חזקה של אי classicality. פוטון יחיד או superpositions מדינת קוהרנטי הם אכן מדינות שאינן גאוס.

הליך יעיל ליצירת מדינות כגון ידוע כטכניקת הכנה המותנה, שבו משאב גאוס ראשוני הוא בשילוב עם מדידה שאינה גאוס שנקרא כגון ^{9,10,11,12,13} ספירת פוטון. תכנית זו כללית, הסתברותי אבל בישרה, הוא שרטט באיור 1 א.

"עבור: תוכן width =" 5in "עבור: src =" "/> /" = src "/ files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg
איור 1. (א) תכנית רעיונית של טכניקת ההכנה המותנה. (ב) הכנה מותנית של מדינת פוטון יחיד מזוגות orthogonally מקוטב פוטון (OPO מסוג II) מופרדת על מפצל אלומה מקטב. הכנה מותנית (ג) לסופרפוזיציה מדינה קוהרנטית על ידי הפחתת פוטון יחיד ממצב ואקום לחץ (מסוג שאני OPO).

על ידי מדידת מצב אחד הסתבכו מדינת bipartite, המצב האחר הוא צפוי למצב שיהיה תלוי במדידה זו ועל המשאב הסתבכו הראשוני ^12,13.

מה הם המשאבים הנדרשים וגלאי מבשר דרושים כדי לייצר את המדינות הנ"ל? יכולות להיות שנוצרו מדינות פוטון יחיד באמצעות קורות תאומה, כלומר פוטון-מספר קורלציה קורות. זיהוי של יחיד photon במצב אחד ואז מבשר את הדור של פוטון יחיד במצב ^9,10,14,15 האחר. תדר מנוון מסוג II OPO ^16,17,18,19 הוא אכן מקור מתאים היטב למטרה זו. פוטונים אות ובטלן הם פוטון-מספר קורלציה ונפלט עם קיטובים מאונך. איתור פוטון יחיד במצב קיטוב אחד פרויקטים האחר אחד למצב פוטון יחיד, כפי שמוצג באיור 1b.

בנוגע superpositions מדינה מגובש, הם יכולים להיות שנוצרו על ידי הפחתת פוטון יחיד ממצב הוואקום לחץ ²⁰ הושג גם על ידי פרמטרית אחת לעבור פעם, אני סוג OPO למטה המרה ^11,21 או על ידי ^22,23. החיסור מתבצע על ידי הקשה על חלק קטן של האור על הקורה מפצל וגילוי פוטון יחיד במצב זה (איור 1 ג'). ואקום לחץ הוא סופרפוזיציה של אפילו מדינות פוטון-מספר, ובכך הפחתה מובילה פוטון יחידלסופרפוזיציה של מצבי פוטון-מספר אי זוגיים, שבו יש נאמנות גבוהה עם סופרפוזיציה ליניארי של שתי מדינות קוהרנטית של משרעת שווה וקטנה. מסיבה זו, בשם "החתלתול של שרדינגר" יש לפעמים היה נתון למצב הזה.

הנוהל הכללי ליצירת מדינות אלה הוא אפוא דומה, אך שונים על ידי מקור האור העיקרי. סינון של טכניקות נתיב וזיהוי המבשר הוא אותם מה הסוג של OPO בשימוש. הסדרה הנוכחית של פרט פרוטוקולים איך ליצור שתי מדינות שאינן גאוס אלה ממתנדים פרמטרים אופטיים רציף גל וכיצד לאפיין אותם עם יעילות גבוהה.

Protocol

1. האופטי פרמטרית מתנד

1. לבנות חלל ארוך 4 סנטימטר semimonolithic ליניארי (ליציבות מכאנית משופרת והפסדי intracavity מופחתים). מראה הקלט מצופה ישירות על פנים אחד של הגביש לא לינארית.
2. בחר השתקפות מצמד קלט של 95% למשאבה ב532 ננומטר וגבוהה השתקפות לאות והבטלן ב1,064 ננומטר. ביחס הפוך, לבחור את מצמד הפלט להיות מהורהר מאוד למשאבה ושל T העברה = 10% לאינפרא אדום. טווח הספקטרום החופשי של OPO שווה לΔω = 4.3 GHz ורוחב הפס הוא סביב 60 MHz. הפוך את חלל תהודה פי שלושה, כלומר למשאבה ולשדות יומרו למטה.
3. השתמש גביש KTP למערכת OPO מסוג II או גביש PPKTP לסוג אני OPO. טמפרטורה לייצב את הגבישים בטמפרטורות התאמה בשלב שלהם.
4. להשתמש כמקור לייזר בתדר גל רציף הוכפל Nd: YAG לייזר. לשאוב OPO ב532 ננומטר ולהשתמש באור frared, לאחר סינון מרחבי בחלל גבוה עידון (נקי מצב), כמתנד מקומי (LO) לגילוי המקלט הישיר.
5. להשיג את מצב ההתאמה בין המשאבה ומצב החלל.
6. לנעול את אורך החלל בתהודת המשאבה על ידי הטכניקה בק"ג-Drever-הול. לצורך כך, להחיל אפנון אלקטרו אופטי MHz 12 למשאבה ולזהות את האור אחורי המשתקף מהחלל עם מבודד אופטי.

2 מותנית הכנה:. סינון הנתיב מבשר

1. הפרד את תפוקת OPO לשני מצבים. אחד תואם את מצב המבשר, ואילו השני הוא המדינה בישרה שתזוהה על ידי זיהוי המקלט הישיר.
2. להנחות את מצב המבשר לקראת גלאי פוטון היחיד. באופן ספציפי, לOPO מסוג II, להפריד את מצבי אות ובטלן מאונך ידי מפצל אלומה מקוטב (PBS). עבור הסוג-I OPO, הקש החוצה חלק קטן (3%) של הוואקום לחץ על ידימפצל אלומה (BS).
3. סנן את מצב המבשר להסיר את המצבים שאינם מנוונים תדירות בשל חלל OPO. לOPO, הפלט אכן מכיל מצבים רבים pairwise קורלציה אבל נפרדו ספקטרלית, ω ₀ + nΔ _ω וω _{0-nΔ ω} כאשר n הוא מספר שלם. כדי ליצור מדינה בישרה בתדר גל הנושא, יש צורך לסנן את כל מצבים שאינם מנוונים אלה.
   1. השתמש ראשון מסנן התאבכות עם רוחב פס של 0.5 ננומטר.
   2. הוספת חלל פברי פרו-תוצרת בית ליניארי עם מגוון חופשי רפאים של 330 GHz ורוחב פס של 300 MHz (אורך סביב 0.4 מ"מ ועידון כ -1,000). רוחב פס החלל נבחר להיות גדול יותר מזו של OPO וטווח הספקטרום החופשי להיות גדול יותר מהחלון בתדר של מסנן ההתאבכות.
   3. להשיג לפחות דחיית 25 dB כוללת של המצבים שאינם מנוונים.
4. נעל את הסינון פבריפרו חלל על ידי הטכניקה להסס והנעילה.
   1. למטרה זו, להזרים קרן עזר ומתפשטים אחורה באמצעות מתג אופטי ולדחות אותה בכניסה של חלל הסינון לפי מבודד אופטי. לזהות את האור במוצא.
   2. נעל את החלל במהלך 10 אלפיות ולהתחיל לאחר תקופת המדידה ל90 אלפיות עם עזר הקרן לדרך.
5. לזהות את מצב המבשר המסונן על ידי גלאי פוטון יחיד במהלך תקופת המדידה. גלאי פוטון יחיד מוליך (SSPD) משמש כדי להגביל את כמות הרעש כהה (כמה הרץ), שאחרת היה לבזות את נאמנותה של המדינה המותנה.

3. מדינת טומוגרפיה קוונטים על ידי מקלט ישיר איתור

1. לזהות את המדינה בישרה עם זיהוי מקלט ישיר מאוזן המורכב ממפצל 50/50 קורה שבו השדה לאפיין ומתנד רציף גל חזק המקומי (LO, 6 mW) מובאים להתערב, וזוג EFF גבוה קוונטיםדיודות InGaAs iciency.
2. על מנת ליישר את זיהוי, להזריק לתוך חלל OPO קרן עזר בהיר ב1,064 ננומטר והתאמת מצב במצב זה עם מצב LO. להשיג נראות שוליים קרובים לאחדות. כל חוסר התאמת מצב מתרגם quadratically להפסדי זיהוי.
3. בדקו את מאפייני זיהוי המקלט הישירים. עם כוח LO של 6 מגה ואט, את מגבלת רעש ירייה (SNL) היא שטוחה עד 50 MHz. זה יותר מ20 dB מעל לרעש האלקטרוני בתדר ניתוח נמוך (MHz), 16 dB מעל בתדר ניתוח 50 MHz. מרחק זה הוא פרמטר קריטי כפי שמיתרגם הפסדים בזיהוי (מרחק 10 dB (20 dB) מתורגם לאובדן 10% (1%) יעיל) ^24.
4. לכל אירוע גילוי מגלאי הפוטון היחיד, להקליט פוטוני המקלט הישירים עם אוסצילוסקופ עם קצב דגימה של 5 Gs / sec במהלך 100 NSEC. לטאטא את פאזה LO עם מראה רכוב PZT במהלך המדידה.
5. סנן כל מגזר שהוקלט עם GIven פונקצית מצב זמני כדי להשיג בכל הכנה מוצלחת ערך נצב יחיד של המדינה המותנה. פונקצית המצב האופטימלית לרווח נמוך היא קרובה לפונקציה מעריכית דו צדדית ²⁵ עם קבוע דעיכה שווה לההופכי של רוחב פס OPO. ניתן למצוא גם במצב האופטימלי באמצעות הרחבת eigenfunction של פונקצית autocorrelation ^26.
6. לצבור מדידות (50,000 נדרש לטומוגרפיה) ופוסט תהליך נתונים עם אלגוריתם מרבי-סבירות ^27. הליך זה מאפשר שיחזור של מטריצת הצפיפות של המדינה בישרה והפונקציה ויגנר המתאימה ^8.

4. הכנה מותנית של פוטון יחיד מדינה עם OPO מסוג II

1. לשאוב OPO מסוג II הרבה מתחת לסף (mW 1 כאן לסף 80 mW) יש הסתברות נמוכה מאוד של זוגות multiphoton.

5. הכנה מותנית של קוהירנטסופרפוזיציה מדינה עם Type-I OPO

1. בדוק את הוואקום שנוצר על ידי לחץ OPO הקרוב לסף עם מנתח ספקטרום. ספקטרום הרעש נמדד מוצג באיור 3.
2. פועל OPO בכוח משאבה המאפשר תצפית של dB סביב 3 של סחיטה בתדרי פס צד נמוך (כמה MHz).
3. במדידת המקלט הישירה, בשלב המידע חשוב למדינות שלב תלוי כגון המצב-CSS. סרוק את פאזה LO עם גל 10 זגזגו הרץ עם מחזור עבודה של 90% (המקביל ל 90 האלפיות השני של תקופת מדידה ו10 אלפיות השניות של נעילת תקופה.) לסנכרן לטאטא לוודא כי במהלך תקופת המדידה, יש אחת לטאטא חד כיוונית של המראה רכוב PZT.
4. השתמש באות המקלט הישירה למדוד את השונות ולאחר מכן להסיק את השלב של נצב נמדד.

תוצאות

לOPO מסוג II ואת הדור של מדינת פוטון יחיד באיכות גבוהה:
השיקום טומוגרפית של המדינה בישרה מוצג באיור 2, שבו האלמנטים האלכסוניים של מטריצת הצפיפות המשוחזרת והפונקציה ויגנר המתאימה מוצגים. ללא כל תיקוני אובדן, המדינה בישרה מציגה מרכיב פוטון יחיד גבוה ככל 78%. על...

Discussion

טכניקת ההכנה המותנה שהוצגה כאן היא תמיד יחסי גומלין בין משאבי bipartite הראשוניים והמדידה שבוצעה על ידי גלאי המבשר. שני מרכיבים אלה משפיעים במידה רבה את התכונות הקוונטיות של המדינה שנוצרה.

ראשית, את הטוהר של המדינות מוכנות מאוד תלוי ?...

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