Denna forskning stöddes av Research Foundation för OPTO-vetenskap och teknik, Japan. Vi tackar Dr Tomo Osada för de nyttiga diskussionerna.

Det antagna förfarandet omfattar fyra huvudetapper med hjälp av den övergripande experimentella inställningen som visas i figur 2. Det första steget var att förbereda pump lasern för SPDC. I den andra etappen, den optiska interferometer-Sagnac interferometer konstruerades med hjälp av en ickelinjär kristall och optiska polariserings komponenter. Förfarandet för slump mätning med hjälp av de elektriska komponenterna som visas i figur 3 beskrevs i den tredje etappen. Slutligen användes den faktiska fotons korrelationsdata som visas i figur 4 för att uppskatta trohets-och klock parametrarna för den genererade villkorslösa polariseringen-intrasslade fotoner.
1. konfiguration av pump lasern
<ol><li>Slå på 405 nm gallerdurering-stabiliserad enfrekvenslaserdiod. Justera uteffekten till ett fåtal mW genom att reducera den inkommande elektriska strömmen till Laserdioden och med neutrala täthetsfilter.</li>
	<li>Konstruera en yttre hålighet mellan ytan av Laserdioden och den holografiska gallerdurkens (3 600 mm− 1) för att realisera en enkelfrekvensfunktion som kallas en spektrometer. Placera den holografiska galler ca 45o mot laserdiod ytan och sakta flytta skruven för att justera graden, och maximera uteffekten från kaviteten genom att hänvisa till bilden av balken.</li>
	<li>Par en laser till polarisering-underhålla optisk fiber (PMF) för att köra en enda spatial-läge drift. Justera fiber fästes skruvarna för att maximera uteffekten från PMF med hjälp av en kraftmätare.</li>
	<li>Collimate output laser från PMF med en fiber kopplare lins. Kanalisera output lasern genom en isolator i mitten av halv Vågs plattan (HWP), en kvarts vågplåt (QWP), och en kort-pass Dichroic spegel (DM) som visas i figur 2. I syfte att generera polarisering-intrasslade fotoner med staten som i (6), ställa in polariserings tillstånd av pumpen laser med diagonal (D) genom att ställa HWP till 22,5o, och QWP till 0o.</li>
</ol>2. konstruktion av interferometriska inställningar
<ol><li>Placera en Dichroic spegel (DM), en vanlig spegel, en PBS, och en ppKTP kristall med dimensioner: 10 mm lång (kristallografisk x-axel), 10 mm bred (y-axeln), och 1 mm tjock (z-axeln) som visas i figur 2. PBS fungerar på både våglängd av lasern (405 nm) och den av de ned-konverterade fotoner (810 nm). Den Poling perioden av ppKTP Crystal är 3,425 <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq19.jpg"> som är konstruerad för collinear typ-0 SPDC med 405 nm Laser pump och har en anti-reflektion beläggning på båda våglängder.</li>
	<li>Justera PBS och speglarna med pump lasern (405 nm) och en referens laser (810 nm). Eftersom längden från ingången till produktionen av interferometern är ca 600 mm, gör det överförda och reflekterade ljuset från PBS parallellt för mer än 600 mm (önskvärt för några meter) för att göra rumsliga läge matchings.</li>
	<li>Placera HWP1 och HWP2 i inställningarna. De fungerar vid både 405 nm och 810 nm våglängder. Justera HWPs för att vara vinkelrät mot infallande ljus med det reflekterade ljuset från ytan. Ställ in vinkeln på HWP1 till 45o och HWP2 till 22,5o
</li>
	<li>Placera en reflexanordning i Setup. Justera retroreflektorns position så att referens balkarna medurs (CW) och motsols (CCW) är i samma spatialläge. Placera laddkopplade enheter (CCD)-kameror på läge 1 och 2 i figur 2 för att hänvisa strålen profilerings bilder från interferometerns utgång. Justera spegeln och reflexanordningen för att göra den rumsliga läges matchningen genom att hänvisa profilerings bilderna på kameran.</li>
	<li>Placera ett fokus objektiv mellan QWP för laser och DM. Eftersom längden från ingången till produktionen av interferometern är ca 600 mm, Välj en lins med en fokus längd på 300 mm. empiriskt ställa in brännpunkten av ingången laser pumpen att inte vara på exakt mittpunkten av interferometern utan att vara runt generation POS av den andra SPDC att göra samma nivå generations effektivitet av ned-konverterade fotoner mellan första och andra SPDC.</li>
	<li>Ta bort CCD-kameran och placera QWPs, polarisatorer (POLs), störningsfilter (IFs) med ett 810 nm-Center och 3 nm bandbredd i läge 1 och 2 som visas i figur 2. Justera de optiska elementen så att de är vinkelräta mot infallande ljus med det reflekterade ljuset. Par referens laserstrålar till multimode fibrer med hjälp av fiber kopplare för detektion.</li>
	<li>Placera ett 300 mm fokuserings objektiv mellan DM och QWP i läge 1 och läge 2. Gör utdata referens laserstrålar till collimate för detektering.</li>
	<li>Anslut multimode fibrer till Single-Photon räkna moduler (SPCMs) tillverkade av kisel (SI) Avalanche photodiodes. Stäng av referens lasern. Slå på SPCMs i mörkrum skick, och räkna ner konverterade fotoner.</li>
	<li>Justera temperaturen på ppKTP Crystal monterad på en temperaturregulator genom att referera till räkna hastigheter av ned-konverterade fotoner. Lämplig temperatur är typiskt 25-30 ° c.</li>
	<li>Justera lutningsvinkeln för HWP1 för att maximera räkna hastigheter av ned-konverterade fotoner. Om räknings talen är för svaga mäter du antalet utan de optiska elementen i läge 1 och 2.</li>
</ol>3. mätförfarande för slump räkningen
<ol><li>Välj polarisation baser i läge 1 och 2 för att mäta incident polarisering-intrasslade fotoner med POLs och QWPs som visas i figur 3. För mätning av infallande foton med H (V) bas, Ställ in QWP till 0o och pol till 0o (90o). För mätning av infallande foton med D (A) bas, Ställ in QWP till 0o och POL till 45o (-45o). För mätningen av infallande foton med R (L) bas, Ställ in QWP till 45o (-45o) och pol till 0o.</li>
	<li>Anslut transistor-transistor logic (TTL) signal som genereras från SPCM i läge 2 till startsignalen ingången av en Time-to-amplitud omvandlare (TAC), och signalen i läge 1 till stoppsignalen ingången efter det har passerat genom den elektriska fördröjning linje (fördröjning). TAC genererar elektriska signaler från 0 till 10 V som motsvarar tidsfördröjningen mellan två signaler.<ol>
<li>I det här experimentet anger du tidsfördröjningen Δt som 50 ns genom att välja fördröjningslinje stift. Ställ in visningen av PC för att visa 100 ns tidsintervall genom att ställa in ratten TAC. Då TAC genererar 5 V-signaler som 50 ns fördröjningstid ges av den elektriska dröjsmål linje. Därför motsvarar 5 V-signalerna till tillfälligheter vid 0 ns fördröjningstid för faktiska pulser som kommer från SPCMs. Tillfälligheter vid 0 ns fördröjningstid visas i mitten av visnings tids intervallet som visas i figur 3.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Klicka på Start-knappen för programvaran, som kallas MAESTRO-32, för att mäta pulsen höjd fördelning och registrera distributionen med en datorstyrd (PC) Multi-Channel Analyzer (MCA). I det här experimentet anger du Mät tiden för TAC för 30 s. analysera höjd fördelningen av TAC-pulserna från 0 till 10 V vilket motsvarade en-50 till 50 ns fördröjningstid mellan incidentfotonerna och SPCMs genom den inställning som beskrivs i steg 3,2.</li>
	<li>Efter att puls höjden har uppvisats, erhåller du pulshöjdfördelningdatan för flera polarisationbaser enligt figur 4. Välj tidsfönstret som ska beaktas för sammanträffande antal för analyseringen av data. Eftersom bredden på pulsen toppen bestäms av SPCM: s upplösning på ~ 1 ns, är tillfällighet tid fönstret nödvändigt att vara större än upplösningen tid.<ol>
<li>I det här experimentet väljer du fönstret slump tid som ska vara 10 ns. Uppskatta tillfällighets räkningarna genom att integrera området i tidsfönstret.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Skattnings förfarande för Trohets-och klock parametrarna
<ol><li>Bestäm den polariserade Second-order korrelationer <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq21v2.jpg"> och Cross-polariserade andra ordningens korrelationer <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq22v2.jpg"> </img>, där <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq23v2.jpg"> hänvisar till polariserings tillstånden H, D och R, och <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq24v2.jpg"> hänvisar till Cross-polarisering staterna V, A, och L. få dessa funktioner genom att dividera de uppmätta <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq25v2.jpg"> slump antalen med bakgrunds <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq26v2.jpg"> </img>nivån. Figur 4 visar den faktiskt uppmätta pulsen höjd fördelningen av slump räknas med flera polariserings baser för 30s. Obs: till exempel sammanträffandet räknas med polarisation bas HH ger <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq27v2.jpg"> räkna/30 s för tillfällighet fönster 10 ns. Den genomsnittliga tillbaka marknivån för slump fönstret beräknas som 4,3 Count/30 s. Sedan understödja-beställer korrelationer ges by <img alt="Equation 28" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq28v2.jpg"> </img>, polariserat understödja-beställer korrelationen fungerar med polarisation baserar HH blir. <img alt="Equation 29" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq29v2.jpg"> </img> På motsvarande sätt understöder-beställer korrelations funktioner med andra polarisering baser ges <img alt="Equation 30" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq30v2.jpg"> </img>som: <img alt="Equation 31" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq31v2.jpg"> , och och Cross-polariserat understödja-beställa korrelation fungerar <img alt="Equation 32" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq32v2.jpg"> som <img alt="Equation 33" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq33v2.jpg"> </img>: och.</li>
	<li>Bestäm graden av polarisering korrelation mellan två fotoner för tre polariserings baser definieras av20,21: <img alt="Equation 34" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq34v2.jpg">7 där <img alt="Equation 35" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq35v2.jpg"> hänvisar till polarisation baser av rätlinjig (H och V), Diagonal (D och A), och cirkulär (R och L) baser. Den uppmätta andra ordningens korrelations funktioner ger graden av varje polariserings baser enligt följande: <img alt="Equation 36" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq36v2.jpg"> </img>, och. <img alt="Equation 37" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq37v2.jpg"> </img></li>
	<li>Bestäm trohet av genererade intrasslade fotoner. Beräkna trohet av polarisering-intrasslad stat med avseende på staten (6) i tre baser20,21: <img alt="Equation 38" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq38v2.jpg"> De uppmätta grader av polarisering korrelation var <img alt="Equation 39" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq39v2.jpg"> </img>. Numrera överskred den klassiska polarisation korrelations gränsen av 0,50.</li>
	<li>Bestäm Bell parametrarna för de genererade intrasslade fotoner21. Beräkna parametrarna från polariseringskorrelationerna enligt följande 19,20: <img alt="Equation 40" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq40v2.jpg"> <img alt="Equation 41" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq41v2.jpg"> <img alt="Equation 42" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq42v2.jpg"> De uppmätta baserna av polarisation korrelation <img alt="Equation 43" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq43v2.jpg"> </img>var. Dessa siffror överskrider den klassiska parameter gränsen på 2 och bryter mot Bell ojämlikheten.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Ekert, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+cryptography+based+on+Bell's+theorem.">Quantum cryptography based on Bell's theorem.</a> Physical Review Letters. 67, 661-663 (1991).</li><li>Mattle, K., Weinfurter, H., Kwiat, P. G., Zeilinger, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=dense+coding+in+experimental+quantum+communication.">dense coding in experimental quantum communication.</a> Physical Review Letters. 76, 4656-4659 (1996).</li><li>Pan, J. W., Bouwmeester, D., Weinfurter, H., Zeilinger, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=experimental+entanglement+swapping:+entangling+photons+that+never+interacted.">experimental entanglement swapping: entangling photons that never interacted.</a> Physical Review Letters. 80, 3891-3894 (1998).</li><li>Bouwmeester, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+quantum+teleportation.">Experimental quantum teleportation.</a> Nature. 390, 575-579 (1997).</li><li>Armstrong, D. J., Alford, W. J., Raymond, T. D., Smith, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Absolute+measurement+of+the+effective+nonlinearities+of+KTP+and+BBO+crystals+by+optical+parametric+amplification.">Absolute measurement of the effective nonlinearities of KTP and BBO crystals by optical parametric amplification.</a> Applied Optics. 35, 2032-2040 (1996).</li><li>Shi, B. S., Tomita, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+a+pulsed+polarization+entangled+photon+pair+using+a+Sagnac+interferometer.">Generation of a pulsed polarization entangled photon pair using a Sagnac interferometer.</a> Physical Review A. 69, 013803 (2004).</li><li>Kim, T., Fiorentino, M., Wong, F. N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase-stable+source+of+polarization-entangled+photons+using+a+polarization+Sagnac+interferometer.">Phase-stable source of polarization-entangled photons using a polarization Sagnac interferometer.</a> Physical Review A. 73, 012316 (2006).</li><li>Steinlechner, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficient+heralding+of+polarization-entangled+photons+from+type-0+and+type-II+spontaneous+parametric+downconversion+in+periodically+poled+KTiOPO4.">Efficient heralding of polarization-entangled photons from type-0 and type-II spontaneous parametric downconversion in periodically poled KTiOPO4.</a> Journal of the Optical Society of America B. 31, 2068 (2014).</li><li>Steinlechner, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase-stable+source+of+polarization-entangled+photons+in+a+linear+double-pass+configuration.">Phase-stable source of polarization-entangled photons in a linear double-pass configuration.</a> Optics Express. 21, 11943-11951 (2013).</li><li>Okano, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=0.54+resolution+two-photon+interference+with+dispersion+cancellation+for+quantum+optical+coherence+tomography.">0.54 resolution two-photon interference with dispersion cancellation for quantum optical coherence tomography.</a> Scientific Reports. 5, 18042 (2015).</li><li>Dayan, B., Pe'er, A., Friesem, A. A., Silberberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+interactions+with+an+ultrahigh+flux+of+broadband+entangled+photons.">Nonlinear interactions with an ultrahigh flux of broadband entangled photons.</a> Physical Review Letters. 94, 043602 (2005).</li><li>Nasr, M. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrabroadband+biphotons+generated+via+chirped+quasi-phase-matched+optical+parametric+down-conversion.">Ultrabroadband biphotons generated via chirped quasi-phase-matched optical parametric down-conversion.</a> Physical Review Letters. 100, 183601 (2008).</li><li>Giovannetti, V., Lloyd, S., Maccone, L., Wong, F. N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clock+synchronization+with+dispersion+cancellation.">Clock synchronization with dispersion cancellation.</a> Physical Review Letters. 87, 117902 (2001).</li><li>Hofmann, H. F., Ren, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+observation+of+temporal+coherence+by+weak+projective+measurements+of+photon+arrival+time.">Direct observation of temporal coherence by weak projective measurements of photon arrival time.</a> Physical Review Letters A. 87, 062109 (2013).</li><li>Mikhailova, Y. M., Volkov, P. A., Fedorov, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biphoton+wave+packets+in+parametric+down-conversion:+Spectral+and+temporal+structure+and+degree+of+entanglement.">Biphoton wave packets in parametric down-conversion: Spectral and temporal structure and degree of entanglement.</a> Physical Review A. 78, 062327 (2008).</li><li>Jabir, M. V., Samanta, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust,+high+brightness,+degenerate+entangled+photon+source+at+room+temperature.">Robust, high brightness, degenerate entangled photon source at room temperature.</a> Scientific Reports. 7, 12613 (2017).</li><li>Terashima, H., Kobayashi, S., Tsubakiyama, T., Sanaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+interferometric+generation+of+polarization+entangled+photons.">Quantum interferometric generation of polarization entangled photons.</a> Scientific Reports. 8, 15733 (2018).</li><li>Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., Kwiat, P. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photonic+state+tomography.">Photonic state tomography.</a> Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics. 52, 105-159 (2005).</li><li>Hong, C. K., Ou, Z. Y., Mandel, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+subpicosecond+time+intervals+between+two+photons+by+interference.">Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference.</a> Physical Review Letters. 59, 2044-2046 (1987).</li><li>Hudson, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherence+of+an+Entangled+Exciton-Photon+State.">Coherence of an Entangled Exciton-Photon State.</a> Physical Review Letters. 99, 266802 (2007).</li><li>Young, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bell-Inequality+Violation+with+a+Triggered+Photon-Pair+Source.">Bell-Inequality Violation with a Triggered Photon-Pair Source.</a> Physical Review Letters. , 102 (2009).</li></ol>

Författarna har inget att avslöja.

Det kritiska steget i protokollet är hur man maximerar trohet av den genererade polarisering intrasslade fotoner. Den uppskattade Fidelity och Bell parametrarna är för närvarande begränsade, främst eftersom vi använde multimode fibrer för att samla in de genererade intrasslade fotoner. Vippningen av HWP1 påverkade höjdskillnaden av de rumsliga lägena mellan fotoner av första och understöder SPDC och orsakade en rumslig-funktionsläge mismatch på tillverkat av den Sagnac interferometeren. Troheten väntas bli högre när man använder single-mode fibrer som filtrerar ut spatial-läge-överlappande område av den genererade första och andra SPDC fotoner. Dessutom påverkade bibrytnings effekten av ppKTP Crystal det läge obalans mellan den första och andra SPDC fotoner. I framtiden kan vi möjligen förbättra parametrarna genom att använda ytterligare kompensations kristaller.
Protokollets betydelse är att förverkliga flera egenskaper samtidigt med hänsyn till befintlig metod. Källan till polariseringen intrasslade fotoner med protokollet har en hög utsläpps hastighet, är urarta, har en bredbands distribution, och är post-urval gratis. Den karakteristiska fördelen med protokollet är baserad på multipel kvantinterferens med hjälp av en dubbel-pass polarisering Sagnac interferometer. Det fotoniska systemet gör det möjligt att använda den stora generationens effektivitet polarisering intrasslade fotoner och att separera degenererade fotonen par i olika optiska lägen utan krav på postselection. Systemet med högpresterande polarisering intrasslade fotoner kan tillämpas för nya fotoniska Quantum informationsteknik1,2,3,4.

Det intrasslade tillståndet i fotoner har väckt stort intresse för studiet av lokal realism i kvantteori och nya tillämpningar av Quantum Cryptography1, Quantum tät Coding2, Quantum repeater3, och Quantum teleportering4. Spontan parametriska Down-omvandling (SPDC) är en andra ordningens ickelinjära process som har införts för att direkt producera intrasslade fotonen par i polariserings tillstånd. På grund av den senaste utvecklingen i kvasi-fas-matchning tekniker, regelbundet med ktiopo4 (ppktp) och Linbo3 (ppln) har blivit en standardteknik5. Flera typer av entanglement källor utvecklas genom att kombinera dessa ickelinjära kristaller med en sagnac interferometer6,7,8. I synnerhet systemet med ortogonalt polariserande fotonen par erhålls genom typ-II SPDC gör det möjligt att generera villkorslös polarisering-intrasslad fotoner och även separat degenererade polarisering-intrasslad fotonen par i olika optiska lägen utan postselektiv detektion7.
I motsats till detta har Type-0 SPDC fördelen av en enkel installation och ett högt utsläpps förhållande av fotons par9. Dessutom genererade fotonen par i typ 0 SPDC visar en mycket bredare bandbredd än fotoner av typ-II SPDC. Den totala fotonen-par produktionstakt per enhet pumpeffekt är två storleksordningar högre på grund av dess stora bandbredd8. En stor bandbredd av korrelerade foton par tillåter en mycket kort sammanträffande tid mellan de upptäckta fotonen par. Denna fastighet har lett till flera potentiella tillämpningar såsom Quantum optisk koherens tomografi10, för att uppnå Ultrashort temporala korrelationer genom ickelinjära interaktioner med flödet av intrasslade fotoner11, metrologi metoder som använder mycket smalt dopp i kvantinterferens12, Quantum Clock Synchronization13, tidsfrekvens insnärjning mätning14, och multimode frekvens insnärjning15. Men systemet med vanliga typ-0 SPDC kräver villkorliga detektions scheman6 eller våglängd filtrering8 eller spatial-läge filtrering för att separera den genererade polarisering-intrasslad fotoner16.
Vi insåg ett system som uppfyller egenskaperna hos både typ-0 och typ-II SPDC samtidigt baserat på flera kvantinterferensprocesser17. Detaljerna i det optiska systemet beskrevs och experimentellt användes för att mäta de parametrar som karakteriserar den genererade polariseringen-intrasslade fotoner med hjälp av ett minimum antal experimentella data.
Jones vektorn av horisontella (H) och vertikala (V) polariserings tillstånd kan skrivas som <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq1.jpg"> och. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq2.jpg" style="font-size: 14px;"> </img> Alla möjliga rena polariserings tillstånd är konstruerade av sammanhängande superpositioner av dessa två polariserings tillstånd. Till exempel representeras Diagonal (D), anti-Diagonal (A), höger-cirkulär (R), och vänster-cirkulär (L) ljus, respektive, av:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq3.jpg" style="font-size: 14px; opacity: 0.9;">,
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq4.jpg" style="font-size: 14px;">, (1)
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq5.jpg" style="font-size: 14px;">Och
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq6.jpg" style="font-size: 14px;">,
H och V kallas rätlinjiga polarisation baser. D och A kallas diagonala polariserings baser. R och L kallas cirkulära polarisation baser. Dessa rena och också blandat påstår av polarizationen kan föreställas av täthet matriser som baseras på H-och V-polarisering baser18.
Systemets funktionsprincip visas i figur 1a-e. Lasern injiceras i en polarisering Sagnac interferometer består av en polariserande balk splitter (PBS), två halv-Wave plattor inställd på 45o (HWP1) och 22,5o (HWP2), en ppktp kristall, och speglar. Polarisationoptiken med denna inställning fungerar för både våglängd av pumpa laser sätter in och besegra-konverterade fotoner.
H-komponenten i pump lasern passerar genom PBS som visas i figur 1a och rundturer inställningen i en medurs (CW) riktning. Polariseringen av pump lasern var inverterad till diagonalen (D) staten genom HWP2. Här fungerar V-delen av pumpa lasern för besegrar-omvandling, och de genererade fotoner är V-polariserat med typ-0 SPDC. Den SPDC polarisering tillstånd av genererade fotonen par kan representeras som:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq7.jpg">.  2
Besegra-konverterat fotonen parar är H-polariserat till och med HWP1 uppsättningen till 45nolla som visat i figur 1b, och polariseringstillståndet blir:
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq8.jpg" style="font-size: 14px;">. 3
Pumpa laserstrålen injicerade igen de inverterade fotonen parar in i Ppktpen. De genererade fotonen par från den andra SPDC är både V-polariserade och ovanpå med fotonen par som genereras av den första SPDC för en collinear optiskt läge som visas figur 1c. Polarizationen som är statlig av fotonen, parar efter understödja SPDC föreställs som:
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq9.jpg" style="font-size: 14px;">4
var <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq10.jpg"> är den relativa fasen mellan fotonen paret från den första och andra SPDC. Fasen varierar inte med tiden eftersom den bestäms av den HWP1's material spridningen mellan pump lasern och de nedkonverterade fotoner, och justerbar genom tippning HWP1. Den H (V)-polarisering tillstånd av de nedkonverterade fotoner var inverterad till en (D) tillstånd som visas i (1). Polarizationen som är statlig av det tillverkat Photon parar från HWP2, föreställs som:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq11.jpg">5
När fasen <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq12.jpg" style="opacity: 0.9;"> är inställd genom att luta HWP1, återstår endast den första termen av staten (5) som visas i figur 1d. Detta är den kvantmekaniska störnings processen som motsvarar den omvända Hong-ou-mandel (HOM) störning process av polarisation baser19. När H-Photon passerar PBS och V-Photon återspeglas av PBS, är polarisation tillstånd av produktionen fotonen par från PBS representeras som <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq13.jpg" style="opacity: 0.9;"> för optisk Mode1 och 2 som visas i figur 1e.
Omvänt reflekterades V-komponenten i pump lasern av PBS som visas i figur 1f och runda utlöst i en motsols (CCW) riktning. Genom liknande flera SPDC-processer av typ 0 och enhetliga transformationer blir <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq14.jpg" style="opacity: 0.9;"> </img>polariserings tillståndet för utdata från PBS. När polarisation tillstånd av pumpen lasern var beredd i Diagonal (D) stat, var den relativa fasen mellan H-och V-komponenter i pump lasern noll. Därför utdata tillstånd av genererade fotoner från CW och CCW riktningar är ovanpå med samma amplituder och representeras som:
<img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq15.jpg">.  6
Utgångsläget är en polarisering-intrasslad stat känd som en av Bell staterna och kan konverteras till andra tre stater med hjälp av polarisation optik Elements7. Med hjälp av relationen som visas i (1), kan <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq16.jpg" style="opacity: 0.9;"> utgångsläget representeras av diagonala polariserings baser som:
<img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq17.jpg" style="opacity: 0.9;">och med cirkulära polarisation baser som: <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/59705/59705eq18.jpg" style="opacity: 0.9;"> </img>.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:777px;" width="777">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:239px;">300mm fous lens</td>
			<td style="width:157px;">Thorlabs. INC.</td>
			<td style="width:165px;">AC254-300-B</td>
			<td style="width:216px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">405nm LD</td>
			<td>Digi-Key Electronics</td>
			<td>NV4V31SF-A-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Delay line</td>
			<td>Ortec INC.</td>
			<td>DB463</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Dichroic mirror (DM)</td>
			<td>Midwest Optical Systems INC.</td>
			<td>SP650-25.4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Half-wave plate (HWP) for 405nm</td>
			<td>Thorlabs. INC.</td>
			<td>WPH05M-405</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Half-wave plate (HWP) for dual wavelengths</td>
			<td>Meadowlark Co.</td>
			<td colspan="2">DHHM-100-0405/0810&#12288;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Interference filter (IF)</td>
			<td>IDEX Health &#38; Science, LLC</td>
			<td>LL01-808-12.5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Multi-channel analyzer (MCA)</td>
			<td>Ortec INC.</td>
			<td>EASY-MCA-2K</td>
			<td>MAESTRO-32 software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Polarization-maintaining fiber</td>
			<td>Thorlabs. INC.</td>
			<td>P1-405BPM-FC-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Polarizer (POL)</td>
			<td>Meadowlark Co.</td>
			<td>G335743000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">ppKTP crystal</td>
			<td>RAICOL CRYSTAL LTD.</td>
			<td></td>
			<td>Type-0, 3.425 microns period</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Quarter-wave plate (QWP) for 808nm</td>
			<td>Thorlabs. INC.</td>
			<td>WPQ05M-808</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Quarter-wave plate (QWP) for 405nm</td>
			<td>Thorlabs. INC.</td>
			<td>WPQ05M-405</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Retroreflector</td>
			<td>Newport Co.</td>
			<td>U-BER 1-1S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Single photon counting Module (SPCM)</td>
			<td>Laser Cpmponents LTD.</td>
			<td>Count -100C-FC</td>
			<td>FC connecting</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Time-to-amplitude converter (TAC)</td>
			<td>Ortec INC.</td>
			<td>567</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a photonic system for generating unconditional polarization-entangled photons based on multiple quantum interference

Vi presenterar en högpresterande källa till villkorslös polarisering-intrasslade fotoner som har en hög utsläpps hastighet, en bredbands distribution, är urartade och postselection gratis. Egenskapen av källan baseras på multipel Quantum störnings effekt med en rund turs konfiguration av en Sagnac interferometer. De Quantum störningseffekter gör det möjligt att använda den höga generationens effektivitet polarisering-intrasslade fotoner att bearbeta parametriska ned-konvertering, och separata degenererade Photon par i olika optiska lägen utan en postselection Krav. Principen för det optiska systemet beskrevs och experimentellt används för att mäta trohet och Bell parametrar, och även att karakterisera den genererade polarisering-intrasslad fotoner från ett minimum av sex kombinationer av polarisering korrelerade data. Den experimentellt erhållna trohet och Bell parametrar överskred den klassiska lokala korrelations gränsen och är tydliga bevis för generering av villkorslös polarisering-intrasslade fotoner.

Det optiska systemet för att generera villkorslösa intrasslade fotoner för polariserings stater baserade på flera kvantinterferenser och detektions scheman för att uppskatta den experimentella troheten genom polariserings korrelation av genererade fotons par diskuterades. Den uppskattade troheten hos de genererade fotoner överskred den klassiska lokala korrelations gränsen på 0,50. De uppmätta Bell parametrarna överskred den klassiska parameter gränsen på 2 och stred mot klockans ojämlikheter. I detta dokument användes slump mätningar som erhållits från minst sex kombinationer av polarisation baser för att utvärdera dessa parametrar. Dessutom är det möjligt att helt rekonstruera densitetsmatrisen av den genererade polarisering-intrasslade fotoner via Quantum State tomografi, som kräver slump mätningar av 16 kombinationer av polariserings baser18.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig1.jpg"> Figur 1 : Schematisk av en integrerad dubbel-pass polarisering Sagnac interferometer. a) generering av fotons par efter den första spontana parametriska ned konverteringen (SPDC). bfotonparens polariseringsrotation med en halv VÅGPLÅT HWP1. (c) generering av fotons par efter den andra SPDC. (d) kvantinterferensen mellan fotons par i första och andra SPDC av HWP2. e) utgående fotons par som produceras i den medurs (CW) riktningen. f) tillverkade fotons par som producerats i motsols (CCW) riktning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig1large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig2.jpg"> Figur 2:övergripande optiskt system för att generera villkorslös polarisering-intrasslade fotoner. Den första halv Vågs plattan (HWP) och en kvarts vågplåt (QWP) används för att ställa in polariserings tillståndet för pump lasern som passerar genom polarisering-bibehålla optisk fiber (PMF). De utgående fotoner passerade genom linser, QWPs, polarisatorer (POLs), och störningsfilter (IFs) i lägena 1 och 2, och upptäcktes av enfotons räkning moduler (SPCM). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig2large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig3.jpg"> Figur 3 : Totalt sammanträffande upptäckt system för den genererade polariseringen-intrasslad fotoner. De elektriska signalerna från SPCM användes för att starta och stoppa signalen från tid till amplitud omvandlare (TAC) genom en elektrisk fördröjning linje (fördröjning). Pulsen höjd fördelning erhålls från tidsskillnaden analyserades med en datorstyrd (PC) Multi-Channel Analyzer (MCA). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig3large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59705/59705fig4.jpg"> Figur 4 : Uppmätta tids skillnads fördelningar med parallella och ortogonala polarisationsinställningar. Kombinationerna är horisontella (H), vertikala (V), diagonala (D), anti-diagonala (A), höger-cirkulär (R), och vänster-cirkulär (L) polarisering baser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59705/59705fig4large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>

Watch this Scientific Journal Video about A Photonic System for Generating Unconditional Polarization-Entangled Photons Based on Multiple Quantum Interference at JoVE.com

A Photonic System for Generating Unconditional Polarization-Entangled Photons Based on Multiple Quantum Interference

Vi beskriver ett optiskt system för generering av villkorslös polarisering-intrasslade fotoner baserat på flera kvantinterferenseffekter med ett detektions schema för att uppskatta den experimentella troheten av genererade intrasslade fotoner.

Ett Fotoniskt system för att generera villkorslös polarisering-intrasslade fotoner baserade på multipla Kvantinterferenser

We present a high-performance source of unconditional polarization-entangled photons that have a high-emission rate, a broadband distribution, are ...

Vi presenterar ett högpresterande fotonik system som drar nytta av flera kvantinterferens effekt för att producera polarisering-intrasslad, degenererad, post-selection gratis fotoner på högutsläppshastighet med en stor bredbandsdistribution. Vår metod använder en multipel omvänd Hong-Ou-Mandel störningsprocess för att producera polarisering-intrasslad fotoner med en hög generations effektivitet och tillförlitlig separation av degenererade fotonpar i olika optiska lägen utan efterval. Till att börja med slår du på en laserdiod, och ställ in strömmen på några milliwatt.Vänligen ett holografiskt galler i ungefär 45 graders vinkel med avseende på laserdiodytan, och justera vinkeln tills strålintensiteten verkar vara maximerad. Nästa, par lasern till en polarisering-upprätthålla optisk fiber. Rikta fibern till en effektmätare, och justera kopplaskruvarna för att maximera uteffekten.Rikta lasern genom en fritt utrymme isolator. Placera sedan en halvvågsplatta och en kvartsvågsplatta för 405-nanometerljus i strålens väg. Ställ in plåtvinklarna för att uppnå önskat strålpolarisationstillstånd.Därefter placerar du en kortpasss dichroic spegel och en polariserande balk-splitter kub i strålens väg. Använd en vanlig spegel för att rikta den reflekterade spolpolära strålen parallellt med den överförda p-polariserade strålen. Placera en typ-noll ppKTP kristall på en temperaturstyrd plattform, monterad i strålens väg.Justera plattformen tills de delade balkarna passerar genom kristallen. Justera sedan balksklyven och speglarna tills både s- och p-polariserade balkar är parallella i några meter. Använd både 405-nanometerpumplasern och en 810-nanometerreferenslaser för denna justering.Därefter montera en dubbelvågs halvvågsplatta på vardera sidan av ppKTP-kristallen, vinkelrätt mot det infallande ljuset. Halvvågsplattan mellan balksplinten och kristallen har satts till 22,5 grader och den andra plattan till 45 grader i förväg. Placera sedan en retroreflektor i slutet av installationen för att rikta de nedombyggda strålarna tillbaka genom ppKTP-kristallen och 22,5-graders halvvågsplattan.Placera den 45-gradiga halvvågsplattan så att endast den inkommande strålen som reflekteras från balkklyven och den utgående strålen från den andra sidan passerar genom den. Se till att båda utgående strålarna riktas in i balkslingan för att generera de medsols och motsols fotonstrålarna. Placera CCD kamerabalk profilers inline med utgångsfoton balkar.Justera speglarna och reflexen så att de medurs och motsols strålparen befinner sig i samma rumsliga lägen. Montera sedan en 300-millimeters fokus lins mellan kvartsvågsplattan och den dichroiska spegeln. Placera linsen så att fokus för pumpen laserstrålen är runt generation position av den andra fotonen ned-konvertering i ppKTP kristall.Ta bort strålen profilers, och placera en kvarts våg plattan, en tråd rutnät polarisator, och en störning filter i vägen för varje utgångsstråle. Par balkarna till multimode fibrer med en kollimator lins. Placera en 300-millimeters fokus lins före varje kvarts våg plattan, och fokusera utstrålarna på kollimatorerna.Anslut sedan multimode fibrerna till single-photon räkna moduler som använder kisel lavin photodiodes. När inställningen har monterats helt, stäng av referenslasern, och koppla åter diodlasern. Stäng av rummets lampor, och uteslut allt externt ljus.Sedan aktiverar du inventeringsmodulerna och räknar de nedombyggda fotonerna. Justera sedan temperaturen på ppKTP-kristallen och lutningsvinkeln på den 45-graders halvvågsplattan för att förbättra sammanräkningshastigheten för de nedomräknade fotonerna. Upprepa måtten och justeringarna tills sammanräkningshastigheten är maximerad.Före mätningen, ställ in vinklarna på kvartsvågsplattorna och polarisationsfilteren för utgående balkar för att uppnå önskad polariseringsbas för mätningen. Anslut sedan single-photon räkna modulen av utgångsstrålen reflekteras bort den dichroic spegeln till startsignalen ingången av en time-to-amplitud omvandlare. Anslut den andra strålen till stoppsignalens ingång via en elektrisk fördröjningsledning.Ställ in fördröjningstiden till 50 nanosekond och det visade tidsintervallet till 100 nanosekond. Öppna instrumentprogramvaran, ställ in mättiden på 30 sekunder och starta mätningen. När mätningen är klar, registrera pulsens höjdfördelning.Upprepa mätningen med flera polarisationsbaskombinationer, och identifiera ett slumptidsfönster baserat på den tidsmässiga upplösningen för räknemodulerna. För varje mätning, integrera området under toppen inom slump tidsfönstret för att uppskatta slump räknas. Beräkna trohet och Bell parametrar för att bekräfta att systemet genererar polarisering-intrasslad fotoner.Analys av sammanträffande upptäckt mätningar från sex kombinationer av polarisering baser bekräftade att systemet kunde generera och upptäcka polarisering-intrasslad fotoner. Den insnärjning trohet var 0,85, överstiger den klassiska lokala korrelation gränsen på 0,5. Korrelationerna från grunderna för polarisering alla överskred den klassiska parametern gränsen för två, bryter mot Bell ojämlikhet.Vår metod tillåter post-urval fri separation av degenererade foton par i olika optiska lägen som är karakteristiska för typ-två spontana parametriska ned-konvertering, samtidigt som den stora bandbredd och hög effektivitet av typ-noll spontana parametriska ned-konvertering. Denna metod att använda flera kvantinterferens processer är också användbar för tillämpningen av intrasslad fotoner genom stimulerad emission av spontana parametriska down-conversion. På grund av enkelheten i vårt system, kan vi ytterligare förbättra polarisering-intrasslad foton generation effektivitet genom att ändra pulsen laserpumpning och vågstödstrukturer i olinjära kristaller.Vi kan också generera fotoner i detteoriska våglängderna bandet genom att ändra poling perioden av kristallen. Vår teknik förbättrar den totala produktionen av fotonpar per pumpeffekt med två till tre storleksordningar, på grund av den stora bandbredden för typ-noll spontana parametriska ned-konvertering. En stor bandbredd av korrelerade fotonpar ger en mycket kort slumptid, vilket har rönt stor uppmärksamhet för användning i kvantoptisk koherenstomografi och i många andra tillämpningar.

Ett Fotoniskt system för att generera villkorslös polarisering-intrasslade fotoner baserade på multipla Kvantinterferenser

Abstract