Quantum État génie de la lumière avec continu-ondes optiques paramétriques oscillateurs
Summary
Nous décrivons la génération fiable des Etats non gaussiennes de voyager champs optiques, y compris les états de photons uniques et des superpositions d'état cohérentes, en utilisant une méthode de préparation conditionnel exploités sur la lumière non-classique émise par des oscillateurs paramétriques optiques. De type I et de type II oscillateurs en phase appariés sont considérés et procédures communes, telles que le filtrage de fréquence requise ou la haute efficacité état quantique caractérisation par homodynage, sont détaillées.
Abstract
Ingénierie états non-classiques du champ électromagnétique est une quête central pour l'optique quantique 1,2. Au-delà de leur importance fondamentale, ces Etats sont en effet les ressources pour la mise en œuvre de divers protocoles, allant de la métrologie améliorée pour la communication quantique et l'informatique. Une variété de dispositifs peut être utilisé pour générer des états non-classiques, tels que les émetteurs simples, interfaces lumière-matière ou de systèmes non linéaires 3. Nous nous concentrons ici sur l'utilisation d'une onde continue oscillateur paramétrique optique 3,4. Ce système est basé sur un non-linéaire χ 2 cristal inséré à l'intérieur d'une cavité optique, et il est maintenant bien connu en tant que source très efficace de la lumière non-classique, tel que monomode ou bimode vide comprimé en fonction du cristal adaptation de phase.
Vide comprimé est un état gaussien que ses distributions en quadrature suivent une statistique gaussienne. Cependant, il a été montré que nombre de protocoles exigent non Gaussian précise 5. Générer directement ces Etats est une tâche difficile et exigerait une forte χ 3 non-linéarités. Un autre mode opératoire, mais probabiliste annoncée, consiste à utiliser une non-linéarité de la mesure induit par-l'intermédiaire d'une technique de préparation conditionnel exploités sur les états de Gauss. Ici, nous détaillons ce protocole de génération de deux États non gaussiennes, l'état de photon unique et une superposition d'états cohérents, à l'aide de deux oscillateurs paramétriques différemment élimination identifié comme ressources primaires. Cette technique permet la réalisation d'une grande fidélité à l'état ciblée et la génération de l'Etat dans un mode spatio-temporelle bien contrôlée.
Introduction
La capacité de construire l'état quantique de voyager champs optiques est une exigence centrale pour la science de l'information quantique et de la technologie 1, y compris la communication quantique, l'informatique et la métrologie. Ici, nous discutons de la préparation et la caractérisation de certains états quantiques spécifiques utilisant comme ressource principale de la lumière émise par onde continue optiques paramétriques oscillateurs 3,4 exploités en dessous du seuil. Plus précisément, deux systèmes seront considérés – une OPO accord de phase de type II et un de type I OPO – permettant respectivement la génération fiable de photons uniques annoncées et de superpositions optiques cohérentes de l'Etat (CSS), les Etats-dire de la forme | α > – |-α>. Ces états sont des ressources importantes pour la mise en œuvre d'une variété de protocoles d'information quantique, allant de linéaire optique quantique calcul 6 protocoles hybrides optiques 5,7. De manière significative, la méthode p senté ici permet l'obtention d'un mélange de faible vide, et l'émission spatio-temporelle dans un mode bien contrôlée.
D'une manière générale, les états quantiques peuvent être classés comme états de Gauss et les Etats non gaussiennes selon la forme de la distribution quasi-probabilité dans l'espace de phase appelée la fonction de Wigner W (x, p) 8. Pour les Etats non gaussiennes, la fonction de Wigner peut prendre des valeurs négatives, une signature forte de non-classicisme. Photon unique ou superpositions cohérentes d'État sont en effet les Etats non gaussiennes.
Une procédure efficace pour générer de tels états est connue comme la technique de préparation conditionnée, où une ressource gaussien initial est associé à une dite mesure non gaussien tel que le comptage de photons 9,10,11,12,13. Ce schéma général, mais probabiliste annoncée, est esquissée sur la figure 1a.
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Figure 1. (A) Schéma conceptuel de la technique de préparation conditionnelle. (B) la préparation conditionnelle de l'Etat à un seul photon de paires de photons orthogonalement polarisés (type II OPO) séparés sur un diviseur de faisceau polarisant. (C) préparation conditionnelle d'une superposition d'état cohérent en soustrayant un photon unique à partir d'un état de vide comprimé (type I OPO).
En mesurant un mode d'un état intriqué bipartite, l'autre mode est projeté dans un état qui dépend de cette mesure et sur la ressource empêtré initial 12,13.
Quelles sont les ressources nécessaires, et un détecteur de annonciatrice nécessaire pour générer les états ci-dessus? États de photons uniques peuvent être générés en utilisant les faisceaux jumeaux, c'est à dire des photons nombre faisceaux corrélés. La détection d'un mono-pHoton sur un mode annonce puis la génération d'un photon unique sur l'autre mode 9,10,14,15. Une fréquence dégénérée de type II OPO 16,17,18,19 est en effet une source bien adapté à cet effet. Signal et complémentaire photons sont des photons corrélés nombre et émis avec des polarisations orthogonales. La détection d'un photon unique sur un mode de polarisation projette l'autre dans un état de photon unique, comme le montre la Figure 1b.
En ce qui concerne les superpositions d'état cohérentes, elles peuvent être générées par la soustraction d'un photon unique à partir d'un état de vide comprimé 20 obtenue soit par pulsé seul passage conversion paramétrique 11,21 ou par un type-I OPO 22,23. La soustraction est effectuée en appuyant sur une petite fraction de la lumière sur un séparateur de faisceau et la détection d'un photon unique dans ce mode (figure 1c). Un vide comprimé est une superposition de même les Etats-photon nombre, soustrayant ainsi un photon unique filsà une superposition d'états impairs nombre de photons, qui a une haute fidélité par une superposition linéaire de deux états cohérents d'amplitude égale et de petite taille. Pour cette raison, le nom de Schrödinger chaton »a parfois été donné à cet état.
La procédure générale pour la production de ces états est donc similaire, mais en diffère par la source de lumière primaire. Filtrage des parcours techniques de détection et annonciateurs sont les mêmes quel que soit le type de OPO utilisé. La présente série de protocoles détail comment générer ces deux états non gaussiennes de continu-ondes oscillateurs paramétriques optiques et la façon de les caractériser avec une grande efficacité.
Protocol
Representative Results
Discussion
La technique de préparation conditionnelle présentée ici est toujours une interaction entre la ressource bipartite initiale et la mesure effectuée par le détecteur d'annonciateur. Ces deux éléments influencent fortement les propriétés quantiques de l'état généré.
Tout d'abord, la pureté des états préparés dépend fortement de celui de la ressource initiale, donc une «bonne» OPO est nécessaire. Qu'est-ce qu'un «bon» OPO? Il s'agit d'un disposi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu par le programme ERA-NET CHIST-ERA (projet 'de QScale ») et par l'ERC subvention de départ» HybridNet. F. Barbosa reconnaît le soutien de la CNR et la FAPESP, et K. Huang le soutien de la Fondation pour l'auteur de National excellente thèse de doctorat de Chine (PY2012004) et le China Scholarship Council. C. Fabre et J. Laurat sont membres de l'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 |
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