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要約

実用的な世代とそれぞれ統合マイクロ共振器および標準の通信コンポーネントを使用して高次元周波数ビンもつれ光子状態のコヒーレント制御のプロトコルが表示されます。

要約

世代のパルスの量子周波数コムのコヒーレント操作法を提案します。今までは、実用的な方法で高次元状態のチップを準備する方法の準備してこのような状態の処理に必要な量子回路の複雑化によりとらえどころのないままです。ここで、どのように高次元周波数ビン巻き込まれ、微小共振器の非線形の入れ子になっている空洞、能動モード同期励起を用いた 2 光子状態安定した、高い発生率で生成できます。この手法は、パルスの量子周波数コムを生成する使用されます。さらに、我々 は現在どのように量子状態を一貫してできる操作プログラミング可能なフィルターや電気光学変調器などの標準の通信コンポーネントを使用します。特に、ディテールの密度行列の再構成、同時検出、単一光子スペクトル測定などの状態特性評価測定を達成するために方法を示します。提示方法は、周波数領域における複雑な高次元状態準備および操作プロトコルのアクセス、再構成、およびスケーラブルな基盤を形成します。

概要

量子現象のコントロールは、安全な量子通信12、および3をセンシング量子の強力な量子情報処理などの多様な分野で新しいアプリケーションの可能性を開きます。一方、さまざまな物理的なプラットフォームは、量子技術4の認識のために積極的に研究されている、光の量子状態は、重要な候補者彼らは長いコヒーレンス時間と外部ノイズ、優れた安定性を示すことができます。既存の通信とシリコン チップ (CMOS) 技術との互換性と同様、伝送特性。

に向かって光子量子技術の可能性を完全に実現するには、複数の量子もつれの当事者および/または高次元を使用して状態の複雑さと内容を増やすことができます。しかし、このような光の状態のチップの世代は、セットアップは、複雑な完全にスケーラブルではない、または専門性の高いコンポーネントを使用して実用性を欠いています。具体的には、高次元のパス-エンタングルメントが必要ですfigure-introduction-540同一ソースのコヒーレント励起とビームスプリッター5の精巧な回路 (どこfigure-introduction-668状態の次元は、) 時間エンタングルメントを必要と複雑な間、マルチ アーム干渉計6。驚くことに、周波数ドメインは適してのスケーラブルな生成と複雑な状態の制御量子周波数櫛 (QFC)7,8統合された光学系の組み合わせを使用して、最近の開発によって示すようと通信インフラ9、将来の量子情報技術の有望なフレームワークを提供します。

統合されたマイクロ共振器における非線形光学効果を用いたオンチップ QFCs が生成されます。このような非線形マイクロ共振を使用すると、(信号およびアイドラーとして記載されて) 2 つの光子は消滅励起光子 - キャビティの重ね合わせで生成される結果のペアを介して、自発の 4 波の混合によって生成されます。等間隔共鳴周波数モード (図 1)。個々 の周波数モード間干渉がある場合周波数量子もつれ状態は形成された10、11モード ロック 2 光子状態として呼ばれるです。この状態の波動関数を記述できます。

figure-introduction-1391

ここでは、figure-introduction-1494とfigure-introduction-1564モード単一周波数のアイドラーは、コンポーネントをそれぞれ、信号とfigure-introduction-1665の確率振幅は、figure-introduction-1741番目信号アイドラー モード ペア。

チップの QFCs の前のデモ実行可能な量子情報プラットフォームとして多様性を強調表示し、光子14,15 , 交差偏光の光子13相関光子対12の櫛を含める,16, 多光子状態15、および周波数ビン エンタングル状態9,17。ここでは、我々 は QFC プラットフォームの詳細な概要を提供するや、高次元の周波数のためのプロトコルもつれ光状態の生成と制御。

将来の量子力学の応用、特にそれら (情報処理) 用高速電子機器に接続するのには、コンパクトかつ安定的なセットアップで純度の高い光子状態の高速生成を要求します。我々 は、S、C、L バンド通信内で QFCs を生成するのに能動モード同期、入れ子になった空洞方式を使用します。マイクロ リングは、マイクロ リング励起帯域幅18に一致するフィルター (エルビウム ドープ光ファイバー増幅器、光増幅器によって提供される) 利得を有するより大きいパルス レーザー キャビティに組み込まれます。ロック モードをキャビティ損失19電気光学変調を介して積極的に実現します。アイソレータは、パルスの伝搬方向が一方向に従うことを保証します。結果のパルスはノイズが非常に低い平均平方根 (RMS) と可変の繰り返し速度とパルスの力を展示します。高アイソレーション ノッチ フィルターを分離放出 QFC 光子励起場から。これらの単一光子制御・検出用ファイバー、導かれます。

本方式は高生成率、小フット プリント QFC ソース歩フォトニック チップに使用されるすべてのコンポーネントを統合可能性のあることができます。また、パルス励起は量子力学の応用に特に適して。まず、微小共振器の共鳴励起に対称のペアを見て、各フォトンは線形光学量子コンピューティング20の単一周波数モード-中央で特徴づけられる、二光子励起状態を生成します。同様に、高い電源励起体制に移動し、選択する複数の信号アイドラー ペア15多光子の状態を生成できます。第二に、光子は、パルス励起に対応する既知の時刻ウィンドウで出力されますと後処理とゲートを実装できます状態検出を改善するために。おそらく最も重要な我々 のスキーム サポート ハーモニック モード ロックを用いた高速、多チャンネル量子情報の道を開くことができる偶然の事故比率 (CAR)-を減らすことがなく光子状態の高発生率技術。

影響と周波数ドメインの実現可能性を示すためには、QFC 状態の制御は、非常に効率的な変換と状態の一貫性を確保する対象となる方法で達成されなければなりません。このような要件を満たすためには、我々 は通信業界で確立されたコンポーネント-位相変調器カスケード プログラム可能なフィルターを使用します。任意のスペクトル振幅と周波数モードごとに個別に対処するための十分な解像度を持つ単一の光子の位相マスクを課すことをプログラミング可能なフィルターを使用できます。無線周波数 (RF) 信号発生器による電気光学位相変調器が周波数コンポーネント21の混合を促進します。

この制御方式の最も重要な側面は、すべて単一のコントロール要素を使用して、単一空間モードで同時に光子の量子モードで動作することです。量子状態の次元を増やすことがなく、パスまたは時間箱エンタングルメント スキームとは異なり、セットアップの複雑さの増加に します。同様に、すべてのコンポーネントが外部から再構成可能な (つまり、セットアップを改正せず操作を変更ことができます)、既存の通信インフラを使用します。したがって、超高速光処理の分野で既存および今後の開発することができますに直接転送量子状態のスケーラブルな制御、将来的に。

要約すると、QFCs による周波数ドメインの搾取は複雑な量子状態とその制御の高速生成をサポートし、従って実用的かつスケーラブルな量子技術に向かって複雑な状態の活用に適しています。

プロトコル

1. パルス励起による状態高次元の周波数の発生

  1. 次の図 2 (世代ステージ) に記載されているスキーム、偏波保持光ファイバー (環境安定性の向上) を使用して各コンポーネントを接続します。
  2. 電気光学振幅変調器に電源を接続し、それを介して送信光パワーは約半分になります (光パワー メーターを使用して測定される)、までのオフセット値をチューニング、DC 電圧オフセットを適用例えばその、ピーク。2 の透過率を 1 mW を半減 mW。
  3. おおよそ外部共振器長を測定します。関係を用いた外部共振器型モード間隔を計算します。
    figure-protocol-356
    どこfigure-protocol-431外部共振器型モードは、 cは真空中の光の速度、間隔、figure-protocol-535共振器媒体の効果的なインデックスをLは外部共振器長。たとえば、1.46 の実効屈折率の繊維で構成されています 20 m キャビティ、おおよそキャビティ モード間隔は 10.2 MHz でしょう。
  4. レーザー発振を開始する EDFA を入れます。
  5. 共振器結合器または他のリングのポートでセットアップに高速フォト ダイオードを挿入します。フォト ダイオードの信号を時間領域で界磁の強さを観察するオシロ スコープに接続します。
  6. オシロ スコープの時間解像度設定 < (水平方向のスケールのノブ) を 100 ps ns スケール パルスを解決するために。この段階では活性化、変調器なしは、オシロ スコープで出力は、低品質、高ノイズ パルスと不安定なパルス操作に表示されます。
  7. 関数発生器を電気光学振幅変調器に接続します。上記の発見 (おおよその) 外部共振器モード間隔 (またはそれの高調波) 関数発生器出力の周波数を設定します。この信号は、ロック モードを実行します。波形 (矩形の) または正弦波振幅変調のためのいずれかを選択します。関数発生器をオンにします。
  8. RF 関数発生器周波数と DC を最適化し、オシロ スコープで波形鉄道を安定させるためにオフセットを調整します。パルス駆動信号を使用する場合は、そのデューティ サイクルを最適化します。
  9. ユーザーが必要に応じて生成される光子の特性が、政権にパルス強度を削減 (または増加) する EDFA の利得を手動で調整 (車はここで役に立つ指標 - の測定の詳細については下記参照)。このため、タイミング電子機器に付属するビジュアル インターフェイスによって生成されたそれぞれ偶然ヒストグラムを比較します。
  10. (フォト ダイオードで検出される) パルス鉄道信号または RF モード ロック信号光子対発生と単一光子検出器を同期するタイミング電子同期チャネルをフィードします。
  11. QFCs の生成率を高めるためには、外部共振器周波数間隔中に同時に補強、EDFA の利得の一パルス当たり同じ電源を確保するための高次高調波モード ロック変調器を駆動-これは光子を維持しながら車のペア対生成率 (図 3) を高めます。このため、それぞれ関数ジェネレーター出力周波数と EDFA の利得を向上します。

高次元の周波数の制御状態

  1. 次の図 2 (制御ステージ) に記載されているスキーム、偏波保持ファイバーを使用してすべてのコンポーネントを接続します。生成方式でノッチ フィルターから始まり、シリーズの最初プログラム可能なフィルター、位相変調器、および 2 番目のプログラム可能なフィルターに接続します。最後に測定目的の単一光子検出器を接続します。
  2. プログラム可能なフィルター操作
    メモ: 特定のアプリケーション/測定実行中、によって、QFC の制御のパラメーターは異なり、周波数モードに適用される位相と振幅マスクをそれに応じて決定する必要があります。減衰または特定の周波数モードをブロックする振幅マスクを使用でき、位相マスクは各モードで任意の位相シフトを伝えることができます。
    1. 目的のアプリケーション/計測のために必要なマスクを決定します。
    2. プログラマブル フィルター ビジュアル インターフェイス22, 所望の周波数モード チャンネルの振幅を設定および他のすべてを減衰させます。
    3. 同様に、(彼らが完全に減衰するように望ましくないチャンネルに適用される位相が重要ではありません) 位相マスクを適用します。所望の周波数が選択されている視覚的なインターフェイスとプログラム可能なフィルターを制御します。
  3. 位相変調操作
    1. 周期的な信号によって駆動される位相変調を用いたスペクトルの各コンポーネントを側面帯位相変調器の運転は、信号発生器の周波数によって均等に分割されます。いくつかの異なる量子周波数モード、パス エンタングルメント スキームで空間ビームスプリッターと類似を混合するのにこれを使用します。量子領域における電気光学位相変調は操作23を散乱量子と見なされます。
    2. ターゲット周波数モードを決定する (依存figure-protocol-2680と実行されている計測) に目的を最適化 (周波数と振幅正弦波ジェネレーターの) 電圧パターンを計算してfigure-protocol-2800値 (いくつかのため下記を参照これの詳細について)。
    3. (SMC ケーブル) などの低損失ケーブルを使用して RF 増幅器に信号発生器を接続します。また十分な RF ケーブルを使用して、位相変調器に RF アンプの出力を接続します。一度すべての RF の両端が接続され、正しく終了、RF 増幅器をバイアスします。
    4. RF アンプが望ましい混合条件を満たすために十分な電圧と電気光学位相変調器を駆動する十分な出力電力であることを確認-これらはいくつかの順序、 figure-protocol-3118 (位相変調器の半波長電圧)。また、RF ケーブルとコネクタが駆動信号の帯域幅と周波数範囲の適切であるを確認します。
    5. 作成された側面帯で必要なモードを重複する周波数の RF 信号発生器 (これは位相変調器を駆動) を設定 (例えば.、33 GHz)。
    6. 周波数モードを混在させる信号発生器をオンにします。
    7. 正しい変調が適用されることを確認するため位相変調器による連続発振レーザーを送信し、出力スペクトルが (変調パラメーターは、さらに、光スペクトルアナライザーを使用して目的の変調に対応することを確認最適化、ノートを参照してください)。
      注: 周波数モード (最適関数の周波数と振幅の決定) の混合の最適化は必要な混合方式に大きく依存、実行されている実験、次元の状態figure-protocol-3564。可能であれば、混合方式は、混合効率を向上させる (低整数側波帯) で初期周波数モードに近いモードを混合してください。たとえば場合、 figure-protocol-3700 、2 つの周波数モード間に途中で発生する混合をお勧めします (したがって、位相変調を駆動する半分に複数の等しい整数をある周波数で量子モード周波数間隔、または無料スペクトル範囲 (FSR))。ただし、 figure-protocol-3885 、センター周波数モード (位相変調へ運転されるべき整数周波数で複数の等しい FSR) で発生する混合をお勧めします。たとえば、figure-protocol-4024と微小共振器figure-protocol-4099GHz、運転信号位相変調は、33.33 GHz に設定されているようなfigure-protocol-4203側波帯と重なる隣接周波数モード - 中心部の十分な強度も残しながら周波数モード。これは、結果、隣接するモード側波帯の重なりでfigure-protocol-4334、figure-protocol-4404とfigure-protocol-4474センター周波数モードでfigure-protocol-4554。図 4 aでは、変調プロセスとサイドバンド係数の例を可視化します。各周波数モード同じ位相変調を受けると同じ側波帯分布を作成しますが、元の周波数モード (図 4 a) の中心します。単一周波数モードの側波帯の振幅、24のフーリエ級数の係数として計算されます。
      figure-protocol-4840
      どこfigure-protocol-4915は振幅に転送、figure-protocol-4991番目サイドバンドfigure-protocol-5068位相変調器を駆動周波数は、figure-protocol-5150位相変調パターンです (周波数と周期figure-protocol-5237)、およびfigure-protocol-5311は、周期的変調関数の引数 (figure-protocol-5394)。正弦波駆動信号のfigure-protocol-5473、側波帯の振幅は、Jacobi 怒り拡大によって記述されます。
      figure-protocol-5577
      figure-protocol-5650
      どこfigure-protocol-5725は、figure-protocol-5796番目の順に評価される最初の種類のベッセル関数figure-protocol-5887とfigure-protocol-5957最大位相シフト (、figure-protocol-6036シングル トーンの運転信号の電圧振幅は、)。

3. 高次元の周波数ビンの処理状態

  1. 単一光子スペクトル
    1. 次のプログラミング可能なフィルターの出力で、QFC から励起フィールドのフィルタ リング単一光子検出器を挿入します。
    2. プログラマブル フィルター コンピューター ソフトウェアを介して光子カウント率を周波数の関数として測定、狭いバンドパス フィルターの振幅マスクを使用して完全プログラマブル フィルター帯域幅にわたって掃引します。たとえば、ビジュアル インターフェイス/コントロール MATLAB でスクリプトを使用して (つまり、プログラム可能なフィルター コントロールとタイミング電子インターフェースです)、必要なフィルターの帯域幅の値を入力してくださいステップ番号と「実行」をクリックします。適切な光子を得るに十分な統合時間カウントを確認します。
    3. このデータからのスペクトルを再構成するプロット (たとえば、Matlab スクリプトを使用して) 対応する波長光子カウント率 (バンドパス フィルター センター)、彼らが買収されました。
  2. 同時計測
    1. 同時計測を実行するため分割し、単一光子検出器を分離する信号およびアイドラー光子。プログラム可能なフィルターは、複数のポートを持って、それを使用して、分離を実行します。そうでなければ、高密度波長分割多重 (DWDM) 単一光子検出器の前に挿入し、光子をルーティングするこれを使用します。
    2. 信号およびアイドラー ペア (たとえば、励起周波数、信号 2 およびアイドラー 2 に対して 2 番目の共鳴線) を選択 (付属のソフトウェア インターフェイス) を介してフィルター プログラム可能なを使用して、2 つの別々 の単一光子検出器にルーティングします。たとえば、WaveManager ソフトウェアのフレキシブル グリッド コントロールのサブメニューをクリックして「追加」をクリックして、および選択したチャネル22の波長や出力ポートを入力します。
    3. 信号およびアイドラー光子時間-デジタル変換器を使用しての到着時刻を記録します。これらの測定から 2 つの光子間の遅延時間を計算します。(たとえば、Matlab スクリプトを使用して) ヒストグラムをプロット偶然の時間遅延のカウントfigure-protocol-7269信号とアイドラーの間-これは偶然測定を提供します。
      注: 車メトリックは、多光子過程・ ダーク カウントから生じる偶然のカウントで生成された光子対から本当偶然カウント数を比較します。
    4. 上記で計算された測定からセンター ピークのカウント数を記録 (光子同じパルス、ゼロの遅延を中心に生産から生じる偶然figure-protocol-7501)-偶然の値であります。
    5. 各側ピーク平均カウント数を記録 (異なるパルスで生成される光子の偶然、figure-protocol-7629パルスの複数訓練期間、すなわちである。、パルス繰り返し周波数の逆)、偶発的な値であります。
      注: 車は、単にこれらの 2 つの値 (偶然値/偶然値) の比率です。
  3. 密度行列の再構成
    注: 密度行列の再構成のプロセスは異なります量子状態のいくつかのパラメーター: 光子、光子とどのモードが計測されているの数の次元。必要な生の測定値の数と同じです。figure-protocol-7924どこfigure-protocol-7995次元は、figure-protocol-8068光子の数です。そのため、たとえばの次元と 2 光子対figure-protocol-816381 の測定が必要になります。このプロトコルは密度行列の再構成のためのペアの例の一般的なプロセスを概説します。figure-protocol-8287周波数モード光子。
    1. 目的の状態の基底ベクトルのセットと投影ベクトル (適切にこれらを選択する方法の詳細については、以下を参照) のセットを決定します。
    2. 同時計測とは、プログラム可能なフィルターまたは DWDM ルート信号およびアイドラー光子を使用して単一光子検出器を区切ります。
    3. プログラマブル フィルター ソフトウェア制御で所望の周波数モードを選択し、他のすべてを減衰します。位相マスク値を個別に各投影波を実現し、偶然測定記録を設定します。同じ統合異なる投影偶然カウント間隔を許可することが重要です。
    4. カスタム コンピューターのスクリプトを使用して、各投影波 (関連する計算の詳細は、以下を参照) の生偶然カウント測定による光子の密度行列を計算します。
      注: 密度行列の測定の基底ベクトルを決定するとき、彼らは状態空間をまたがる必要があります。例の場合, 基底ベクトルは、します。
      figure-protocol-8794
      状態のfigure-protocol-8870、密度行列は、量子状態を説明します
      figure-protocol-8960
      密度行列の任意の実際の物理的なシステムは、正定値エルミート行列 - をする必要がありますが、ノイズのためこれは常にある場合があります。選ばれた基礎の例の場合、理想的な最大限に周波数エンタングル状態の波として表現できます。
      figure-protocol-9147
      したがって、理論的な密度行列になります。
      figure-protocol-9244
      投影測定は投影 wavevectors のシリーズにfigure-protocol-9343。として、それぞれの投影の偶然の一致数が与えられる
      figure-protocol-9441
      どこfigure-protocol-9516定数 (定義は以下参照) です。
    5. 直交セットを選択figure-protocol-9621、行列の正規化figure-protocol-9697ことなど
      figure-protocol-9774
      どこfigure-protocol-9849トレース、figure-protocol-9923ディメンションは、figure-protocol-10001の光子の数ですとfigure-protocol-10078は、クロネッカーのデルタ関数。これらの行列は、特殊ユニタリ SU を使用して構築できます (figure-protocol-10193) 発電機 (あるfigure-protocol-10271)、恒等行列、すべて可能なテンソル製品組み合わせ25と一緒に。例の場合の直交行列については後述します。
    6. 密度行列を再構築figure-protocol-10435、次のリレーションシップを介して
      figure-protocol-10524
      figure-protocol-10597
      figure-protocol-10670
      figure-protocol-10743
      どこfigure-protocol-10818フォトン カウント用です、figure-protocol-10900番目投影ベクトルfigure-protocol-10977投影ベクトルが (次のステップを参照)、figure-protocol-11066とfigure-protocol-11136方程式の定義に従って計算されます。
      注: の例の投影 wavevectors、します。
      figure-protocol-11255figure-protocol-11324
      figure-protocol-11397
      figure-protocol-11470
      figure-protocol-11543
      figure-protocol-11616
      figure-protocol-11689
      figure-protocol-11762
      figure-protocol-11835
      実験的に、これらの wavevectors は、プログラム可能なフィルターを介して各モードに適切な位相シフトを伝授によって実現されます。以前出版25投影ベクトルについての議論を参照してください。直交行列を設定figure-protocol-12036最初恒等行列と共に su (3) 発電機を使用して、たとえばケースが選択されます
      figure-protocol-12149
      figure-protocol-12222
      figure-protocol-12295
      figure-protocol-12368
      figure-protocol-12441
      figure-protocol-12514
      figure-protocol-12587
      figure-protocol-12660
      figure-protocol-12733
      として、計算して
      figure-protocol-12818
    7. 高次元の状態推定の詳細については、参照 25 25を参照してください。

結果

生成と制御 (図 1研究科非線形マイクロ共振器の励振に基づく) 高次元周波数ビン状態の輪郭を描かれたスキーム図 2に示します。このセットアップは標準の通信コンポーネントを使用して、光子の生産率と適用処理で柔軟性の高い。車を低下させることがなく光子対の生産を増やすことができますを示す繰り返し率の関数?...

ディスカッション

光周波数領域、QFCs、経由では、量子力学の応用理由のホストのために有益です。操作は、グローバル、すべてに作用する状態同時に、サイズや状態次元につれて複雑さで対応していないデザインの結果。これは、コンポーネントは再構成、オンザフライで設定を変更することがなくすることができます、既存のおよび/または半導体・通信インフラの開発を利用することで内蔵をなることが?...

謝辞

R. Helsten ありがとう技術的な洞察力。P. ヘルプと処理装置の QPS Photronics からカンQuantumOpus および光エレクトロニクス コンポーネントのサポートと最新の光子検出装置をご提供するための N. ベルトーネ。この作業は次の資金源によって可能になった: 自然な科学および工学研究審議会のカナダ (レベル) (Steacie、戦略、探索、および加速の補助金スキーム、ヴァニエ カナダ大学院奨学金、USRA 奨学金);Mitacs (IT06530) と PBEEE (207748);MESI PSR SIIRI イニシアチブ。カナダの研究の椅子のプログラム;オーストラリアの研究評議会発見プロジェクト (DP150104327);欧州連合のホライゾン 2020年研究とイノベーション プログラムの下でマリー マリアスクウォドフスカ キュリー (656607) を与えます。CityU SRG Fd プログラム (7004189);中国科学アカデミー (XDB24030300); の戦略的な重点研究課題レア付与契約 INCIPIT (PIOF-ジョージア州-2013-625466); の下で欧州連合の FP7 プログラムの人々 プログラム (マリー ・ キュリー ・ アクション)機械の交わりと教授プログラム (グラント 074 U 01); ロシア連邦の政府1000 才能四川プログラム (中国)

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Superconducting Nanowire Single-Photon Detector SystemQuantum OpusOpus One
Electro-optic phase modulatorEO-SpaceLow loss model
Programmable filterFinisar WaveShaper 4000s
Timing electronicsPicoQuantHydraHarp 400
Micro-ring resonator200 GHz FSR micro-ring resonator made from high refractive index glass. See Ref. 24 for platform details.
Erbium-doped fiber amplifierKeopsysPEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA
Electro-optic amplitude modulatorOclaro SD40
RF tone sourceRohde & SchwarzSMP 04
RF tone amplifierRF-LambdaRFLUPA27G34GA
Function generatorTetronixAFG 3251
IsolatorGeneral PhotonicsNISO-S-15-SS-FC/APF
OscilloscopeTetronix TDS5052B
PhotodiodeFinisarXPDV 50 GHz
DWDMOptiWorksDWFUQUMD08BN
Power supplyMadellCA18303D

参考文献

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