연속파 광 파라 메트릭 발진기와 빛의 양자 상태 공학

요약

우리는 광 파라 메트릭 발진기에 의해 방출되는 비 전통적인 빛을 운영하는 조건부 제조 방법을 사용하여 단일 광자 상태와 일관된 상태 겹쳐 적층 등의 광학 필드를, 여행의 비 가우시안 국가의 안정적인 발전을 설명합니다. 유형 I과 유형 II 상 일치 발진기 고려하고 필요한 주파수 필터링이나 homodyning으로 고효율 양자 상태의 특성 등의 일반적인 절차는 자세히 설명되어 있습니다.

초록

전자기장의 비 고전적인 상태를 엔지니어는 양자 ^{광학, 2를위한} 중앙 퀘스트입니다. 자신의 기본적인 의미를 넘어, 이러한 상태는 참으로 향상된 계측에서 양자 통신 및 컴퓨팅에 이르기까지, 다양한 프로토콜을 구현하기위한 자원입니다. 다양한 장치는 단일 이미 터, 광 - 인터페이스 물질 또는 비 - 선형 시스템 ^3과 같은 비 고전적 상태를 생성하기 위해 사용될 수있다. 우리는 연속파 광 파라 메트릭 발진기 ^3,4의 사용에 초점을 맞춘다. 이 시스템은 광 공동 안에 삽입 비선형 ^χ이 결정에 기반 해 지금 같은 단일 모드 또는 결정에 따라 두 개의 모드 압착 된 진공과 같은 비 고전적 빛의 매우 효율적인 소스로 잘 알려진 위상 정합.
그 직교 분포가 가우시안 통계를 다음과 같이 압착 진공 가우스 상태입니다. 그러나 프로토콜이 아닌 Gaus을 필요로의 수를 보여왔다시안 ^5를 말한다. 바로 이러한 상태를 생성하는 것은 어려운 작업이며 강력한 χ ³ 비선형 성을 필요로한다. 그러나 확률 적 예고 다른 절차는 가우시안 상태에서 작동 조건부 제조 기술을 통해 측정 - 유도 비선형 성을 사용하여 구성된다. 여기에, 기본 자원으로 두 개의 다른 위상 일치 파라 메트릭 발진기를 사용하여 두 개의 비 가우시안 상태, 단일 광자 상태와 일관된 상태의 중첩에 대한 우리의 세부 사항이 세대 프로토콜입니다. 이 기술은 잘 조절 된 시공간 모드에서 대상 국가와 국가의 발전과 높은 충실도의 달성을 가능하게한다.

서문

광학 필드를 여행의 양자 상태를 엔지니어 할 수있는 능력은 양자 통신, 컴퓨팅 및 계측 등의 양자 정보 과학 기술 ^1위한 중앙 요구 사항입니다. 여기, 우리는 기본 자원으로 임계 값 이하로 운영 연속파 광 파라 메트릭 발진기 ^3,4에 의해 방출 된 빛을 사용하여 일부 특정 양자 상태의 준비와 특성에 대해 설명합니다. 특히, 두 시스템이 고려 될 것 - 유형-II의 위상 정합 OPO와 유형-I OPO를 - 각각 예고 단일 광자와 광 간섭 상태 겹쳐 적층 (CSS), 양식, 즉 국가의 안정적인 발전을 가능 | α > - |-α>. 이러한 상태는 선형 광학 양자 계산 ^{6 개의} 광학 하이브리드 프로토콜 ^5,7까지 양자 정보 다양한 프로토콜의 구현을위한 중요한 자원이다. 중요한 것은, 메소드 P 여기에 분개하는 것은 잘 조절 시공간 모드로 진공 방출의 낮은 혼합물을 얻는 허용한다.

일반적으로, 양자 상태는 위그 너 함수 W (x, ^{P)으로 13라는} 위상 공간에서 준 확률 분포의 형상에 따라 가우시안 상태 및 비 가우시안 상태로 분류 될 수있다. 비 가우시안 미국의 경우, 위그 너 함수는 비 classicality의 강력한 서명을 음의 값을 가질 수 있습니다. 단일 광자 또는 일관된 상태 겹쳐 적층은 참으로 비 가우시안 상태입니다.

그러한 상태들을 생성하기위한 효율적인 절차가 초기 가우시안 자원이 그러한 광자 카운팅 ^{9,10,11,12,13} 같은 소위 비 가우시안 측정과 결합 조건부 제조 기술로 알려져있다. 이 일반 체계, 확률하지만 예고는 그림 1a에 스케치한다.

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도 1. (a) 조건부 제조 기술의 개념적 구조. (b) 직교 편광 광자 쌍 (타입-II의 OPO)에서 단일 광자 상태의 조건부 제제는 편광 빔 스플리터에서 분리 하였다. 압착 진공 상태에서 단일 광자를 감산함으로써 코 히어 런트 상태의 중첩 (c) 조건부 준비 (유형 I OPO).

양자 얽힘 상태의 하나의 모드를 측정함으로써, 다른 모드는이 측정에 초기 얽힌 자원 ^{(12, 13)에} 따라 달라집니다 상태로 예상된다.

상기 상태를 생성하는 데 필요한 필요한 자원 및 예고 검출기는 무엇입니까? 단일 광자 상태는 트윈 빔을 사용하여 생성 될 수 있고, 광선 즉 광자 개수에 상관. 단일 P의 검출하나의 모드에 HOTON는 다른 모드 ^{9,10,14,15에} 단일 광자의 생성을 예고한다. 주파수 퇴화 타입-II OPO ^{16,17,18,19은} 참으로이 목적에 적합 소스입니다. 신호 및 아이들러 광자는 광자 수의 상관 관계 및 직교 편파로 방출된다. 도 1b에 도시 된 바와 같이 하나의 편광 모드를 단일 광자를 검출하는 것은, 단일 광자 상태로 다른 하나를 돌출.

일관성있는 상태 겹쳐 적층에 관하여, 그들은 ^{11, 21} 변환 다운 또는에 의해 타입-I은 ^{22, 23를} 오포 중 하나를 얻은 압착 진공 상태 ^{(20)로부터} 펄스 싱글 패스 (single-pass) 파라 메트릭하여 단일 광자를 차감하여 생성 할 수 있습니다. 감산은 비임 스플리터에 빛의 작은 부분을 태핑하고이 모드에서 단일 광자 (도 1C)를 검출함으로써 수행된다. 진공 압착 따라서 단일 광자 리드를 감산에도 광자 개수 상태의 중첩 인같은 작은 진폭의 두 일관된 상태의 선형 중첩으로 높은 충실도가 홀수 광자 수 상태의 중첩에. 이러한 이유로, 이름이 '슈뢰딩거의 고양이'가끔이 상태로 주어졌다.

이러한 상태를 생성하기위한 일반적인 절차는 이와 유사하지만, 일차 광원에 의해 다르다. 예고 경로 및 검출 기술의 필터링 OPO의 분류가 사용하는 어떤 동일하다. 방법 연속파 광 파라 메트릭 발진기에서이 두 비 가우시안 상태를 생성하는 방법과 고효율을 특징하는 프로토콜 세부 사항의 현재 시리즈.

프로토콜

1. 광 파라 메트릭 발진기

1. (향상된 기계적 안정성 및 감소 공동 내부 손실) 4 cm 길이 semimonolithic 선형 공동 구축. 입력 미러 직접 비선형 결정의 일면에 코팅된다.
2. 1,064 nm에서의 신호와 아이들러 532 nm의 높은 반사에서 펌프에 대한 95 %의 입력 커플러 반사를 선택합니다. 반대로, 출력 커플러 펌프에 대한 반사율이 높은 것으로 선택하고 투과율 T의 = 10 % 적외선을위한. OPO의 자유 스펙트럼 범위는 Δω = 8.6 GHz의 동등 및 대역폭은 약 60 MHz 이상이다. 즉, 펌프 및 하향 변환 된 필드에 대한 캐비티가 삼중 공진합니다.
3. 유형 II의 OPO 시스템 또는 유형-I OPO의 PPKTP 결정에 대한 KTP 크리스탈을 사용합니다. 그들의 위상 매칭 온도에서 결정 온도 안정화.
4. 레이저 소스로 사용할 연속파 주파수가 배가 된 Nd : YAG 레이저. 532 nm에서 OPO 펌프와의를 사용하여frared 광 호모 다인 ​​검출 용 국부 발진기 (LO)와 같은 높은 기교 캐비티 (모드 청소기)에 의해 공간적 필터링 후의.
5. 펌프 및 캐비티 모드 간의 모드 정합을 달성한다.
6. 파운드 - Drever - 홀 기술에 의해 펌프의 공명에 대한 캐비티 길이를 잠급니다. 이러한 목적으로, 펌프 12 MHz의 전기 광학 변조를 적용하고, 광 아이솔레이터와 공동으로부터 백 반사 된 광을 검출한다.

2 조건부 준비 :. 예고 경로 필터링

1. 두 가지 모드로 OPO의 출력을 분리합니다. 다른 하나는 호모 다인 ​​검출 수단에 의해 검출 될 것이다 예고 상태에있는 동안 하나는, 예고 모드에 대응한다.
2. 단일 광자 검출기를 향해 예고 모드를 안내합니다. 특히, 유형 II의 OPO를 들어, 편광 빔 스플리터 (PBS)에 의해 직교 신호 및 아이들러 모드를 구분합니다. 타입 I-OPO 들어 의해 압착 된 진공의 작은 부분 (3 %)을 아웃 탭빔 스플리터 (BS).
3. OPO 캐비티에 의한 주파수 비축 퇴성 모드를 제거 예고 모드 필터. OPO의 경우, 출력은 참으로 많은 페어 상관 관계가 있지만, 스펙트럼 분리 모드, ω를 포함 ₀ + nΔ _ω와 ω n은 정수 _{0-nΔ ω.} 캐리어 주파수에서 예고 상태를 생성하기 위해서는 이러한 비축 퇴성 모드 모두를 필터링 할 필요가있다.
   1. 0.5 nm의 대역폭 우선의 간섭 필터를 사용합니다.
   2. 330 기가 헤르쯔의 자유 스펙트럼 범위 및 300 메가 헤르츠 (1,000 약 0.4 mm와 기교 정도 길이)의 대역폭을 만든 선형 페 브리 - 페로 공동을 추가합니다. 캐비티 대역폭 OPO와의 간섭 필터의 주파수 창보다 크게 자유 스펙트럼 범위보다 크도록 선택된다.
   3. 비축 퇴성 모드 중 적어도 전체적인 25dB 제거율을 달성한다.
4. 필터링 파브리를 잠금디더와 잠금 기술에 의해 페롯 캐비티.
   1. 이를 위해, 광 스위치를 통해 후방으로 전파하는 보조 빔을 주사하고, 광 아이솔레이터에 의해 필터링 공동의 입구를 거부한다. 출력단에서 광을 검출한다.
   2. 10 밀리 초 동안 공동 잠금과 보조 빔 떨어져 90 밀리 초에 대한 측정 기간 후에 시작합니다.
5. 측정 기간 동안 단일 광자 검출기에 의해 필터링 된 예고 모드를 검출한다. 초전도 단일 광자 검출기 (SSPD는) 그렇지 않으면 조건부 국가의 충실도를 저하시킬 것이다 어두운 소음의 양 (몇 Hz에서)를 제한하는 데 사용됩니다.

호모 다인 ​​검출 3. 양자 상태 단층 촬영

1. 필드 특성화 50 / 50 빔 스플리터와 강한 연속파 국부 발진기 (LO, 6 MW)로 이루어지는 평형 호모 다인 ​​검출을 예고 상태를 검출은 간섭 가져, 높은 양자 EFF 쌍 아르iciency의 InGaAs 광 다이오드.
2. 검출을 정렬하기 위해, LO 모드와 1064 ㎚, 모드 매치이 모드에서 OPO 공동 내로 밝은 보조 빔을 주사. 화합에 가까운 프린지 가시성을 얻을 수 있습니다. 어떤 모드 불일치 차적으로 감지 손실로 변환합니다.
3. 호모 다인 ​​검출 특성을 확인합니다. 6 ㎿가 LO 파워로, 총 소​​음 한도 (SNL)는 50 MHz의 최대 평면이다. 그것은 낮은 분석 주파수 (MHz), 50 MHz의 주파수 분석 주파수에서 위 16dB의 전자 노이즈 위보다 20 dB입니다. 그것은 (10dB (20dB) 거리가 10 % (1 %) 효과가 손실로 변환) ⁽²⁴⁾ 검출 손실로 변환으로이 거리는 중요한 매개 변수입니다.
4. 단일 광자 검출기에서 검출마다 이벤트를 들어, 100 나노초 동안 Gs의 5 / 초의 샘플링 속도 오실로스코프 호모 다인 ​​광전류를 기록한다. 측정하는 동안 PZT-마운트 미러 LO의 위상을 청소.
5. GI에 기록 된 각 세그먼트 필터각각의 성공적인 준비 조건부 상태의 단일 직교 값에 얻기 위해 시간 모드 기능을 벤. 저 이득에 대한 최적의 모드 기능은 OPO 대역폭의 인버스와 동일한 감쇠 상수 양면 지수 함수 ²⁵ 부근이다. 최적의 모드는 자기 상관 함수 ^(26)의 고유 함수의 확장을 사용하여 발견 될 수있다.
6. 최대 우도 알고리즘 ⁽²⁷⁾ 측정 (50,000 단층 촬영에 필요한) 및 후 처리 데이터를 축적. 이 절차는 예고 상태의 밀도 행렬 및 해당 위그 너 함수 ^8의 재구성을 가능하게합니다.

유형-II OPO 단일 광자 상태 4. 조건부 준비

1. 다 광자 쌍의 매우 낮은 확률이 훨씬 임계 값 (80 mW의 임계 값 여기에 1 MW) 아래의 유형-II OPO 펌프.

코 히어 런트 5. 조건부 준비타입-I OPO와 상태 중첩

1. 스펙트럼 분석기와 임계 값에 가까운 OPO에 의해 생성 된 압착 진공을 확인합니다. 측정 된 잡음 스펙트럼을도 3에 나타낸다.
2. 낮은 측 파대 주파수 (수 MHz)에서 압박의 약 3dB의 관찰을 가능하게하는 펌프 파워에 OPO를 운영하고 있습니다.
3. 호모 다인 ​​측정에서, 위상 정보는 CSS 상태와 같은 위상 종속 상태에 중요하다. 90 %의 듀티 사이클이 10 Hz에서 톱니 파도와 LO의 위상을 스캔 (측정 기간의 90 밀리 초 및 기간 잠금의 10 밀리 초에 해당.) 측정 기간 동안, 하나가 있는지 확인하기 위해 청소를 동기화 PZT에 장착 된 미러에 방향 청소.
4. 분산을 측정하고 측정 된 직교 위상을 유추 호모 다인 ​​신호를 사용한다.

결과

타입 II의 OPO 높은 충실도 단일 광자 상태의 발생을위한 :
예고 상태의 단층 촬영 재구성은 재구성 된 밀도 행렬 및 대응 위그 너 함수의 대각 요소가 표시되는도 2에 도시된다. 어떤 손실 교정없이, 예고 상태는 78 %만큼 높은 단일 광자 성분을 나타낸다. 고려 전체적인 탐지 손실 (15 %)을 취함으로써 상태가 단일 광자 상태를 가진 91 %의 충실도에 도달한다. 다운 변환 프로세스에 ?...

토론

여기에 제시된 조건부 제조 기술은 항상 초기 분형 리소스 및 예고 검출기에 의해 수행되는 측정의 작용이다. 이 두 가지 구성 요소가 강하게 발생 상태의 양자 특성에 영향을 미친다.

우선, 준비된 상태의 순도는 강하게 따라서 '좋음'OPO가 요구되는, 초기 리소스의 하나에 의존한다. '좋은'OPO는 무엇입니까? 그것은 탈출 효율 η 화합 부근에 해당하는 장치입니다. ...

자료

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