Summary

Quantum Ingegneria State of Light con onda continua Optical Parametric Oscillatori

Published: May 30, 2014
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Summary

Descriviamo la generazione affidabile di stati non-gaussiana di viaggiare campi ottici, compresi gli stati di singolo fotone e sovrapposizioni stato coerente, utilizzando un metodo di preparazione condizionale operato la luce non classica emessa da oscillatori parametrici ottici. Di tipo I e tipo II oscillatori fase corrispondenza vengono considerati e procedure comuni, come il filtraggio in frequenza richiesto o ad alta efficienza caratterizzazione stato quantico da homodyning, sono dettagliate.

Abstract

Ingegneria stati non classici del campo elettromagnetico è una missione centrale per l'ottica quantistica 1,2. Oltre al loro significato fondamentale, questi stati sono infatti le risorse per l'attuazione di diversi protocolli, che vanno da una maggiore metrologia quantistica alla comunicazione e informatica. Una varietà di dispositivi può essere utilizzata per generare stati non classici, come emettitori singoli, interfacce luce-materia o sistemi non lineari 3. Facciamo qui sull'impiego di un onda continua oscillatore parametrico ottico 3,4. Questo sistema si basa su un χ non lineare cristallo 2 inserito all'interno di una cavità ottica ed è ormai ben noto come una fonte molto efficiente della luce non classica, come monomodale o bimodale spremuto vuoto a seconda del cristallo phase matching.
Spremuto a vuoto è uno stato gaussiana come sue distribuzioni in quadratura seguono una statistica gaussiana. Tuttavia, è stato dimostrato che il numero di protocolli richiedono non Gaussian dichiara 5. Generazione direttamente questi stati è un compito difficile e richiederebbe una forte χ 3 non-linearità. Un'altra procedura, probabilistica ma annunciata, consiste nell'utilizzare un non-linearità misurazione indotta tramite una tecnica di preparazione condizionato utilizzati sugli stati gaussiani. Qui, i dettagli del protocollo di questa generazione per due stati non-gaussiana, lo stato di singolo fotone e una sovrapposizione di stati coerenti, utilizzando due oscillatori parametrici diversamente fase appaiati come risorse primarie. Questa tecnica consente di raggiungimento di un alta fedeltà con lo Stato mirato e la generazione dello Stato in un modo spazio-temporale ben controllata.

Introduction

La capacità di progettare lo stato quantico di viaggiare campi ottici è un requisito fondamentale per l'informazione quantistica scienza e la tecnologia 1, compresa la comunicazione quantistica, informatica e metrologia. Qui, si discute la preparazione e caratterizzazione di alcuni stati quantistici specifici utilizzando come risorsa primaria della luce emessa da onda continua parametrici ottici oscillatori 3,4 operati sotto soglia. In particolare, saranno prese in considerazione due sistemi – un OPO fase corrispondenza di tipo II e di tipo-I OPO – consentire rispettivamente la generazione affidabile dei annunciata singoli fotoni e di sovrapposizioni ottiche coerenti statali (CSS), cioè gli stati del modulo | α > – |-α>. Questi stati sono risorse importanti per l'attuazione di una varietà di protocolli di informazione quantistica, che vanno da lineare computazione quantistica ottica 6 ai protocolli ibridi ottico 5,7. Significativamente, il metodo p risentito qui permette di ottenere una bassa mescolanza di vuoto e l'emissione in una modalità spaziotemporale ben controllata.

In generale, stati quantistici possono essere classificati come stati Gaussiani e stati non gaussiani secondo la forma della distribuzione quasi-probabilità nello spazio fase chiamata funzione di Wigner W (x, p) 8. Per gli stati non-gaussiana, la funzione di Wigner può assumere valori negativi, un forte firma del non-classicità. Singolo fotone o sovrapposizioni stato coerente sono infatti stati non-gaussiana.

Una procedura efficiente per generare tali stati è noto come la tecnica di preparazione condizionale, se una risorsa gaussiana iniziale è combinato con una cosiddetta misurazione non gaussiana come 9,10,11,12,13 conteggio di fotoni. Questo schema generale, probabilistica ma annunciata, è disegnato in Figura 1a.

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Figura 1. (A) Schema concettuale della tecnica di preparazione condizionale. (B) preparazione condizionale di Stato di singoli fotoni da coppie di fotoni polarizzati ortogonalmente-(tipo II OPO) separati su un divisore di fascio polarizzante. (C) la preparazione condizionale di una sovrapposizione stato coerente sottraendo un singolo fotone da uno stato di vuoto spremuto (tipo I OPO).

Misurando una modalità di stato di entanglement bipartito, l'altra modalità viene proiettato in uno stato che dipende questa misura e sulla risorsa impigliato iniziale 12,13.

Quali sono le risorse occorrenti e rivelatore foriera necessaria per generare gli stati di cui sopra? Stati singolo fotone possono essere generati utilizzando fasci gemelli, cioè fotoni numero travi correlato. Il rilevamento di un singolo pHoton su una modalità poi annuncia la generazione di un singolo fotone dall'altro modalità 9,10,14,15. Una frequenza degenere tipo II OPO 16,17,18,19 è davvero una fonte particolarmente adatto a questo scopo. Segnale e folli fotoni sono fotoni numero correlati e emessi con polarizzazioni ortogonali. Rilevare un singolo fotone su una modalità di polarizzazione proietta l'altro in uno stato a singolo fotone, come mostrato in Figura 1b.

Riguardo sovrapposizioni stato coerente, possono essere generati sottraendo un singolo fotone da uno stato di vuoto spremuto 20 ottenuta sia per pulsata singolo passaggio parametrica down-conversione 11,21 o da un tipo-I opo 22,23. La sottrazione viene eseguita toccando una piccola frazione della luce su un divisore di raggio e rilevare un singolo fotone in questa modalità (figura 1c). Un vuoto spremuto è una sovrapposizione anche di fotoni numero di Stati, sottraendo in tal modo un singolo fotone portaad una sovrapposizione di dispari fotone-numerici Uniti, che hanno una elevata fedeltà con una sovrapposizione lineare di due stati coerenti di ampiezza uguale e piccola. Per questo motivo, il nome di 'Schrödinger kitten' stato talvolta dato a questo stato.

La procedura generale per la generazione di questi stati è pertanto simile, ma differisce dalla fonte di luce primaria. Filtraggio del percorso e delle tecniche di rivelazione annunciando sono le stesse indipendentemente dal tipo di OPO utilizzato. L'attuale serie di protocolli di dettaglio come generare questi due stati non gaussiani da onda continua oscillatori parametrici ottici e come caratterizzarli con alta efficienza.

Protocol

1. Optical Parametric Oscillator Costruire un lungo 4 centimetri cavità lineare semimonolithic (per una migliore stabilità meccanica e perdite intracavity ridotti). Lo specchio di ingresso è direttamente rivestito su una faccia del cristallo non lineare. Scegliere una riflessione accoppiatore di ingresso del 95% per la pompa a 532 nm e ad alta riflessione per il segnale e la puleggia a 1.064 nm. Inversamente, scegliere l'accoppiatore di uscita per essere altamente riflettente per la pompa e d…

Representative Results

Per il OPO tipo II e la generazione di alta fedeltà Stato singolo fotone: La ricostruzione tomografica dello stato annunciato è mostrato nella Figura 2, in cui vengono visualizzati gli elementi diagonali della matrice densità ricostruito e la funzione di Wigner corrispondente. Senza qualche correzione perdita, lo stato annunciata presenta una componente singolo fotone alto come il 78%. Tenendo conto delle perdite di rilevazione globale (15%), lo stato raggiunge una fedeltà del 91% con uno sta…

Discussion

La tecnica di preparazione condizionale qui presentata è sempre un'interazione tra la risorsa bipartito iniziale e la misura effettuata dal rivelatore foriera. Queste due componenti influenzano fortemente le proprietà quantistiche dello stato generato.

In primo luogo, la purezza degli stati preparati dipende fortemente quello della risorsa iniziale, quindi è necessario un OPO 'buona'. Che cosa è un OPO 'buono'? Si tratta di un dispositivo per il quale il η efficienza…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è supportato dal ERA-NET chist-ERA (progetto 'qscale') e dalla concessione di partenza CER 'HybridNet'. F. Barbosa riconosce il sostegno da CNR e FAPESP, e K. Huang il sostegno della Fondazione per l'Autore della Nazionale Eccellente tesi di dottorato della Cina (PY2012004) e il Consiglio borsa di studio in Cina. C. Fabre e J. Laurat sono membri dell'Institut Universitaire de France.

Materials

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

Referencias

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Morin, O., Liu, J., Huang, K., Barbosa, F., Fabre, C., Laurat, J. Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators. J. Vis. Exp. (87), e51224, doi:10.3791/51224 (2014).

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