Quantum Ingegneria State of Light con onda continua Optical Parametric Oscillatori
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
Representative Results
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
- Dell’Anno, F., et al. Multiphoton quantum optics and quantum state engineering. Phys. Reports. 428, 53-168 (2006).
- O’Brien, J. L., et al. Photonic quantum technologies. Nature Photon. 3, 687-695 (2009).
- Bachor, H. -. A., Ralph, T. C. . A guide to experiments in quantum optics. , (2004).
- Reid, M. D., et al. The Einstein-Podolsky-Rosen paradox: from concepts to applications. Rev. Mod. Phys. 81, 1727-1751 (2009).
- Van Loock, P. Optical hybrid approaches to quantum information. Laser & Photonics Review. 5, 167-200 (2011).
- Knill, E., et al. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
- Ralph, T. C., et al. Quantum computation with optical coherent states. Phys. Rev. A. 68, 042319 (2003).
- Leonhardt, U. . Measuring the quantum state of light. , (1997).
- Hong, C. K., Mandel, L. Experimental realization of a localized one-photon state. Phys. Rev. Lett. 56, 58-60 (1986).
- Lvovsky, A. I., et al. Quantum state reconstruction of the single-photon Fock state. Phys. Rev. Lett. 87, (2001).
- Ourjoumtsev, A., et al. Generating optical Schrödinger kittens for quantum information processing. Science. 312, 83-86 (2006).
- D’Auria, V., et al. Effect of the heralding detector properties on the conditional generation of single-photon states. Eur. Phys. Journ. D. 66, 249 (2012).
- D’Auria, V., et al. Quantum decoherence of single-photon counters. Phys. Rev. Lett. 107, (2011).
- Huisman, S. R., et al. Instant single-photon Fock state tomography. Opt. Lett. 34, 2739-2741 (2009).
- Morin, O., et al. High-fidelity single-photon source based on a Type II optical parametric oscillator. Opt. Lett. 37, 3738-3740 (2012).
- Ou, Z. Y., et al. Realization of the Einstein-Podolski-Rosen paradox for continuous variables. Phys. Rev. Lett. 68, 3663-3666 (1992).
- Laurat, J., et al. . Type-II Optical Parametric Oscillator: a versatile source of quantum correlations and entanglement in Quantum information with continuous-variables of atoms and light. , (2005).
- Laurat, J., et al. Compact source of Einstein-Podolski-Rosen entanglement and squeezing at very low noise frequencies. Phys. Rev. A. 70, (2004).
- D’Auria, V., et al. Full characterization of Gaussian bipartite entangled states by a single homodyne detector. Phys. Rev. Lett. 102, (2009).
- Dakna, M., et al. Generating Schrödinger-cat-like states by means of conditional measurements on a beam splitter. Phys. Rev. A. 55, 3184-3194 (1997).
- Gerrits, T., et al. Generation of optical coherent-state superpositions by number-resolved photon subtraction from the squeezed vacuum. Phys. Rev. A. 82, (2010).
- Neergaard-Nielsen, J. S., et al. Generation of a Superposition of Odd Photon Number States for Quantum Information Networks. Phys. Rev. Lett. 97, (2006).
- Wakui, K., et al. Photon subtracted squeezed states generated with periodically poled KTiOPO4. Opt. Express. 15, 3568-3574 (2007).
- Kumar, R., et al. Versatile wideband balanced detector for quantum optical homodyne tomography. Optics Com. 285, 5259-5267 (2012).
- Nielsen, A. E. B., Mølmer, K. Single-photon-state generation from a continuous-wave nondegenerate optical parametric oscillator. Phys. Rev. A. 75, (2007).
- Morin, O., et al. Experimentally accessing the optimal temporal mode of traveling quantum light states. Phys. Rev. Lett. 111, 213-602 (2013).
- Lvovsky, A. I., Raymer, M. G. Continuous-variable optical quantum-state tomography. Rev. Mod. Phys. 81, 299-332 (2009).
- Marek, P., Fiurasek, J. Elementary gates for quantum information with superposed coherent states. Phys. Rev. A. 82, (2010).
- Morin, O., et al. Remote creation of hybrid entanglement between particle-like and wave-like optical qubits. Nat. Photonics. Eprint. , (2013).
