הנדסה הקוונטית מדינה של אור עם גל רציף מתנדים אופטיים פרמטרים
Summary
אנו מתארים את הדור אמין של מדינות שאינן גאוס של נסיעה שדות אופטיים, כולל מדינות פוטון יחיד וsuperpositions המדינה קוהרנטי, תוך שימוש בשיטת הכנה מותנית פעלה באור שאינו קלאסי הנפלט על ידי מתנדים פרמטרים אופטיים. מתנדים בהתאמה שלב Type-I וסוג II נחשבים ונהלים משותפים, כגון סינון התדירות הנדרש או את אפיון מצב קוונטי יעילות גבוהה על ידי homodyning, מפורטים.
Abstract
הנדסת מדינות שאינן קלאסיות של השדה האלקטרומגנטי היא שאיפה מרכזית לאופטיקה קוונטית 1,2. מעבר למשמעות הבסיסית שלהם, מדינות כאלה הן אכן המשאבים ליישום פרוטוקולים שונים, החל המטרולוגיה משופרת לתקשורת קוונטית ומחשוב. מגוון רחב של מכשירים ניתן להשתמש כדי ליצור מצבים שאינם קלאסיים, כגון קרינה אחת, ממשקי אור עניין או מערכות שאינן ליניארי 3. אנו מתמקדים כאן על השימוש במתנד פרמטרים אופטיים רציף גל 3,4. מערכת זו מבוססת על גביש χ אינו ליניארי 2 מוכנס בתוך חלל אופטי וכיום הוא ידוע כמקור יעיל מאוד של אור שאינו קלאסי, כגון במצב יחיד או ואקום סחט שני מצב בהתאם לגביש התאמת שלב.
ואקום לחץ הוא מדינה גאוס כהפצות נצב לעקוב אחר סטטיסטיקת גאוס. עם זאת, זה כבר הראה כי מספר פרוטוקולים דורשים שאינו Gausסיאן קובע 5. יצירה ישירות מדינות כאלה היא משימה קשה וידרוש χ החזק 3 אינו linearities. נוהל אחר, הסתברותי אבל בישרו, כולל בשימוש שאינם ליניאריות-Induced מדידה באמצעות טכניקת הכנה מותנית המופעלת על מדינות גאוס. הנה, פרט אנו פרוטוקול הדור הזה לשתי מדינות שאינן גאוס, מדינת הפוטון היחיד וסופרפוזיציה של מצבי קוהרנטי, תוך שימוש בשני מתנדים פרמטרית שונה בהתאמה שלב כמשאבים עיקריים. טכניקה זו מאפשרת השגת נאמנות גבוהה עם מדינת היעד ודור המדינה במצב spatiotemporal מבוקר היטב.
Introduction
היכולת להנדס את המצב הקוונטי של נסיעה שדות אופטיים היא דרישה מרכזית למדע מידע קוונטים וטכנולוגיה 1, כוללים תקשורת קוונטית, מחשוב ומטרולוגיה. כאן, אנו דנים הכנה ואפיון של כמה מצבים קוונטיים ספציפיים באמצעות כמשאב עיקרי האור הנפלט ע"י מתנדים פרמטרים אופטיים רציף גל 3,4 פעלו מתחת לסף. באופן ספציפי, שתי מערכות ייחשבו – OPO בהתאמה שלב מסוג II וסוג אני OPO – מה שמאפשר בהתאמה הדור אמין של יחיד פוטונים בישרו ושל מצבים אופטיים קוהרנטית מדינה (CSS), כלומר מדינות של הטופס | α > – |> Α-. מדינות אלה הן משאבים חשובים ליישום במגוון של פרוטוקולי מידע קוונטים, החל חישוב קוונטים אופטיים ליניארי 6 לפרוטוקולים היברידיים אופטיים 5,7. באופן משמעותי, עמ 'השיטה התרעם כאן מאפשר קבלת תערובת נמוכה של אבק והפליטה למצב spatiotemporal מבוקר היטב.
באופן כללי, ניתן לסווג מצבים קוונטיים כמדינות גאוס ומדינות שאינם גאוס על פי צורת ההתפלגות מעין ההסתברות במרחב שלב שנקראה W ויגנר פונקציה (x, עמ ') 8. למדינות שאינן גאוס, פונקצית יגנר יכולה לקבל ערכים שליליים, חתימה חזקה של אי classicality. פוטון יחיד או superpositions מדינת קוהרנטי הם אכן מדינות שאינן גאוס.
הליך יעיל ליצירת מדינות כגון ידוע כטכניקת הכנה המותנה, שבו משאב גאוס ראשוני הוא בשילוב עם מדידה שאינה גאוס שנקרא כגון 9,10,11,12,13 ספירת פוטון. תכנית זו כללית, הסתברותי אבל בישרה, הוא שרטט באיור 1 א.
"עבור: תוכן width =" 5in "עבור: src =" "/> /" = src "/ files/ftp_upload/51224/51224fig1.jpg files/ftp_upload/51224/51224fig1highres.jpg
איור 1. (א) תכנית רעיונית של טכניקת ההכנה המותנה. (ב) הכנה מותנית של מדינת פוטון יחיד מזוגות orthogonally מקוטב פוטון (OPO מסוג II) מופרדת על מפצל אלומה מקטב. הכנה מותנית (ג) לסופרפוזיציה מדינה קוהרנטית על ידי הפחתת פוטון יחיד ממצב ואקום לחץ (מסוג שאני OPO).
על ידי מדידת מצב אחד הסתבכו מדינת bipartite, המצב האחר הוא צפוי למצב שיהיה תלוי במדידה זו ועל המשאב הסתבכו הראשוני 12,13.
מה הם המשאבים הנדרשים וגלאי מבשר דרושים כדי לייצר את המדינות הנ"ל? יכולות להיות שנוצרו מדינות פוטון יחיד באמצעות קורות תאומה, כלומר פוטון-מספר קורלציה קורות. זיהוי של יחיד photon במצב אחד ואז מבשר את הדור של פוטון יחיד במצב 9,10,14,15 האחר. תדר מנוון מסוג II OPO 16,17,18,19 הוא אכן מקור מתאים היטב למטרה זו. פוטונים אות ובטלן הם פוטון-מספר קורלציה ונפלט עם קיטובים מאונך. איתור פוטון יחיד במצב קיטוב אחד פרויקטים האחר אחד למצב פוטון יחיד, כפי שמוצג באיור 1b.
בנוגע superpositions מדינה מגובש, הם יכולים להיות שנוצרו על ידי הפחתת פוטון יחיד ממצב הוואקום לחץ 20 הושג גם על ידי פרמטרית אחת לעבור פעם, אני סוג OPO למטה המרה 11,21 או על ידי 22,23. החיסור מתבצע על ידי הקשה על חלק קטן של האור על הקורה מפצל וגילוי פוטון יחיד במצב זה (איור 1 ג'). ואקום לחץ הוא סופרפוזיציה של אפילו מדינות פוטון-מספר, ובכך הפחתה מובילה פוטון יחידלסופרפוזיציה של מצבי פוטון-מספר אי זוגיים, שבו יש נאמנות גבוהה עם סופרפוזיציה ליניארי של שתי מדינות קוהרנטית של משרעת שווה וקטנה. מסיבה זו, בשם "החתלתול של שרדינגר" יש לפעמים היה נתון למצב הזה.
הנוהל הכללי ליצירת מדינות אלה הוא אפוא דומה, אך שונים על ידי מקור האור העיקרי. סינון של טכניקות נתיב וזיהוי המבשר הוא אותם מה הסוג של OPO בשימוש. הסדרה הנוכחית של פרט פרוטוקולים איך ליצור שתי מדינות שאינן גאוס אלה ממתנדים פרמטרים אופטיים רציף גל וכיצד לאפיין אותם עם יעילות גבוהה.
Protocol
Representative Results
Discussion
טכניקת ההכנה המותנה שהוצגה כאן היא תמיד יחסי גומלין בין משאבי bipartite הראשוניים והמדידה שבוצעה על ידי גלאי המבשר. שני מרכיבים אלה משפיעים במידה רבה את התכונות הקוונטיות של המדינה שנוצרה.
ראשית, את הטוהר של המדינות מוכנות מאוד תלוי ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי Chist-ERA ERA-NET (פרויקט 'QScale') ועל ידי מענק ERC מתחיל 'HybridNet'. פ ברבוסה מודה התמיכה מCNR וFAPESP, וק הואנג התמיכה מהקרן למחבר של עבודת דוקטורט הלאומית מצוינת של סין (PY2012004) ומועצת מלגות סין. ג פאבר וג' Laurat חברים במכון Universitaire דה פראנס.
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 |
References
- 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).
