Medição de Interferência Quântica em uma fonte de silício anel ressonador Photon
Summary
Silicon chips fotônicos têm o potencial para realizar complexos sistemas quânticos integrados. Apresentada aqui é um método para preparar e testar um chip de silício fotónica para medições quânticas.
Abstract
Silicon chips fotônicos têm o potencial para realizar circuitos quânticos integrados complexos de processamento de informações, incluindo fontes de fótons, manipulação qubit, e detectores de fóton único integrados. Aqui, apresentamos os principais aspectos da preparar e testar um chip quântico fotônico de silício com uma fonte de fótons integrada e interferômetro de dois fótons. O aspecto mais importante de um circuito integrado quântica é minimizar a perda de modo a que todos os fotões gerados são detectados com a maior fidelidade possível. Aqui, nós descrevemos como realizar o acoplamento extremidade de baixa perda, utilizando uma fibra de ultra-elevada abertura numérica para combinar de perto o modo das guias de ondas de silício. Ao utilizar uma receita de emenda de fusão optimizado, a fibra é perfeitamente Uhna em interface com uma fibra de modo único padrão. Este acoplamento de baixa perda permite a medição de produção de fotões de alta fidelidade num ressoador de silício anel integrado e a subsequente interferência de dois fotões do p produzidohotons em um interferômetro de Mach-Zehnder estreitamente integradas. Este artigo descreve os procedimentos essenciais para a preparação e caracterização de alto desempenho e quânticos silício circuitos fotónicas escaláveis.
Introduction
Silicon está mostrando uma grande promessa como uma plataforma de fotônica para o processamento de informação quântica 1, 2, 3, 4, 5. Um dos componentes vitais de circuitos fotônicos quântica é a fonte de fótons. Fontes de fotões de par têm sido desenvolvidos a partir de silício sob a forma de ressoadores de micro-anel feito através de um processo não-linear de terceira ordem, espontânea de mistura de quatro ondas (SFWM) 6, 7, 8. Essas fontes são capazes de produzir pares de fotões indistinguíveis, que são ideais para experiências que envolvem fotão emaranhamento 9.
É importante notar que o anel de fontes ressonador pode operar com tanto no sentido horário e anti-horário de propagação, e as duas direcções de propagação diferentes são genereunir independentes um do outro. Isto permite um único anel de funcionar como duas fontes. Quando bombeamento óptico de ambas as direções, estas fontes gerar o seguinte estado emaranhado:
Onde 
e 
são os operadores de criação independentes para bi-fótons clockwise- e anti-propagação, respectivamente. Esta é uma forma muito conveniente de estado entrelaçado conhecido como um estado N00N (N = 2) 10.
Passando este estado através de um interferómetro no chip de Mach-Zehnder (MZI) resulta no estado:
Este estado oscila entre máxima coincidência e de zero a duas vezes coincidênciaa frequência de interferência clássica num MZI, dobrando a sensibilidade do interferómetro 10. Aqui, apresentamos o procedimento utilizado para testar uma fonte de fótons integrado tal e dispositivo MZI.
Protocol
Representative Results
Discussion
Há vários desafios para o campo da fotônica integrada para superar a fim de que sistemas complexos e escaláveis de dispositivos fotônicos para ser viável. Estes incluem, mas não estão limitados a: tolerâncias apertadas de fabricação, o isolamento de instabilidades ambientais e minimização de todas as formas de perda. Não há passos críticos no protocolo anteriormente referido, que ajudam a minimizar a perda de dispositivos fotónicas.
Um dos requisitos mais importantes p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi realizado em parte na Ciência e Tecnologia nanoescala Facility Universidade de Cornell, um membro da Infraestrutura de Rede Nacional de Nanotecnologia, que é apoiado pela National Science Foundation (Grant ECCS-1542081). Nós reconhecemos o apoio para este trabalho do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL). Este material é baseado em trabalho parcialmente financiado pela National Science Foundation sob Award No. 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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