La medición de interferencia cuántica en una fuente de silicio resonador de anillo de fotones
Summary
Chips fotónicos de silicio tienen la posibilidad de realizar sistemas cuánticos complejos integrados. Se presenta aquí un método para preparar y probar un chip fotónico de silicio para mediciones cuántica.
Abstract
Chips fotónicos de silicio tienen el potencial para realizar circuitos cuánticos integrados complejos de procesamiento de información, incluyendo fuentes de fotones, la manipulación qubit, y detectores de fotón único integrados. A continuación, presentamos los aspectos clave de la preparación y prueba de un chip cuántico fotónico de silicio con una fuente de fotones integrada y interferómetro de dos fotones. El aspecto más importante de un circuito cuántico integrado se minimiza la pérdida de modo que todos los fotones generados son detectados con la mayor fidelidad posible. A continuación, describimos cómo realizar el acoplamiento de borde de baja pérdida mediante el uso de un ultra-alta en fibra apertura numérica para asemejarse a la modalidad de las guías de ondas de silicio. Mediante el uso de una receta de empalme de fusión optimizado, la fibra uhna está perfectamente interconectado con una fibra monomodo estándar. Este acoplamiento de baja pérdida permite la medición de la producción de fotones de alta fidelidad en un resonador de anillo de silicio integrado y la posterior interferencia de dos fotones de la p producidohotons en un interferómetro de Mach-Zehnder estrechamente integrado. Este documento describe los procedimientos esenciales para la preparación y caracterización de alto rendimiento y circuitos fotónicos cuánticos de silicio escalables.
Introduction
El silicio se muestra una gran promesa como una plataforma fotónica para el procesamiento de información cuántica 1, 2, 3, 4, 5. Uno de los componentes vitales de circuitos fotónicos cuánticos es la fuente de fotones. Fuentes de fotones de par se han desarrollado a partir de silicio en forma de resonadores de micro anillo realizado a través de un proceso no lineal de tercer orden, espontánea de cuatro ondas de mezcla (SFWM) 6, 7, 8. Estas fuentes son capaces de producir pares de fotones indistinguibles, que son ideales para experimentos que implican el entrelazamiento de fotones 9.
Es importante tener en cuenta que el anillo de fuentes de resonador pueden operar tanto con las agujas del reloj y la propagación en sentido antihorario, y los dos direcciones de propagación diferentes son genreunir independientes entre sí. Esto permite que un solo anillo funcione como dos fuentes. Cuando ópticamente bombeado desde ambas direcciones, estas fuentes generan el siguiente estado entrelazado:
dónde 
y 
son los operadores de creación independientes para bi-fotones clockwise- y en sentido contrario, se propagan, respectivamente. Esta es una forma muy deseable de estado entrelazado conocido como un estado N00N (N = 2) 10.
Pasando este estado a través de un Mach-Zehnder on-chip (MZI) resulta en el estado:
Este estado oscila entre la máxima coincidencia y cero coincidencia en dos vecesla frecuencia de interferencia clásica en un MZI, doblando efectivamente la sensibilidad del interferómetro 10. A continuación, presentamos el procedimiento utilizado para probar una fuente de fotones integrada tal y dispositivo MZI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hay varios desafíos para el campo de la fotónica integrados superar a fin de que los sistemas complejos y escalables de dispositivos fotónicos a ser factible. Estos incluyen, pero no se limitan a: estrechas tolerancias de fabricación, aislamiento a partir de inestabilidades ambientales, y la minimización de todas las formas de pérdida. Hay pasos críticos en el protocolo anterior que ayudan a minimizar la pérdida de dispositivos fotónicos.
Uno de los requisitos más importantes en mi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue realizado en parte en la nanoescala Ciencia y Tecnología Fondo para la Universidad de Cornell, un miembro de la Red de Infraestructura Nacional de Nanotecnología, que es apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia (Grant ECCS-1542081). Reconocemos el apoyo para este trabajo del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL). Este material está basado en trabajo apoyado en parte por la National Science Foundation con la adjudicación núm ECCS14052481.
Materials
| 3-Axis NanoMax Flexure Stage | Thorlabs | MAX312D | Precision 3-axis stages |
| Three Channel Piezo Controller | Thorlabs | MDT693B | Piezo controllers for NanoMax stages |
| Fiber Polarization Controller | Thorlabs | FPC562 | 3-Paddle fiber-based polarization controller |
| Fiber Cleaver | Thorlabs | XL411 | Fiber cleaver |
| Standard V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV001 | standard v-groove mount |
| Tapered V-Groove Fiber Holder | Thorlabs | HFV002 | tapered v-groove mount |
| Right-Angle Top Plate for NanoMax Stage | Thorlabs | AMA011 | right-angle bracket |
| 50:50 Fiber Optic Coupler | Thorlabs | TW1550R5F1 | 50/50 combiner |
| Optical Fiber Fusion Splicer | Fujikura | FSM-40S | Fusion splicer |
| MultiPrep Polishing System – 8" | Allied High Tech | 15-2100 | Chip polisher |
| Cross-Sectioning Paddle with Reference Edge | Allied High Tech | 15-1010-RE | Polishing mount |
| Lightwave Measurement System | Keysight | 8164B | Mainframe for tunable laser |
| Tunable Laser Source | Keysight | 81606A | Tunable laser |
| Optical Power Sensor | Keysight | 81634B | Power meter |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID210 | Single photon detectors |
| NIR Single Photon Detector | ID Quantique | ID230 | Low noise, free-running single photon detectors |
| PicoHarp | PicoQuant | PicoHarp 300 | Time-correlated single photon counting |
| WiDy SWIR InGaAs Camera | NIT | 640U-S | IR Camera |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 30055053-368-2.2 | pump cleanup filters |
| WDM Bandpass Filter | JDS Uniphase | 1011787-012 | pump rejection filters |
| Ultra-High Numerical Aperture Fiber | Nufern | UHNA-7 | high index fiber |
| Ultra Optical Single Mode Fiber | Corning | SMF-28 | standard single mode fiber |
References
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