Generatie en coherente controle van gepulste Quantum frequentie kammen

De controle van quantum verschijnselen opent de mogelijkheid voor nieuwe toepassingen op terreinen zo divers als veilige quantum communicatie¹, krachtige quantum informatieverwerking²en quantum sensing³. Terwijl een verscheidenheid van fysieke platforms zijn actief voor de realisaties van quantum technologieën⁴wordt onderzocht, zijn optische kwantumtoestanden belangrijke kandidaten, als zij keer lange samenhang en stabiliteit van externe ruis, uitstekende vertonen kunnen transmissie-eigenschappen, evenals compatibiliteit met bestaande telecommunicatie en silicium chip (CMOS) technologieën.

Naar het volledig realiseren van het potentieel van fotonen voor quantum technologieën, kan staat complexiteit en informatie-inhoud worden verhoogd door het gebruik van meerdere verwarde partijen en/of high-dimensionaliteit. De generatie van de op de chip van dergelijke optische Staten mist echter praktisch als opstellingen ingewikkeld, niet perfect schaalbaar zijn en/of zeer gespecialiseerde componenten gebruiken. In het bijzonder hoge-dimensionale pad-entanglement vereist coherente opgewonden identiek bronnen en uitgebreide circuits van beam-splitters⁵ (waar is de staat dimensionaliteit), terwijl de tijd-entanglement moet complex Multi arm interferometer⁶. Opmerkelijk is het frequentie-domein is geschikt voor schaalbare generatie en beheersing van complexe staten, zoals blijkt uit de recente exploitatie in quantum frequentie kammen (QFC)^7,8 met behulp van een combinatie van geïntegreerde optica en telecommunicatie-infrastructuren⁹, en een veelbelovende kader voorziet in toekomstige quantum informatietechnologieën.

Op de chip QFCs worden gegenereerd met behulp van niet-lineaire optische effecten in geïntegreerde micro-Holten. Met behulp van deze een niet-lineaire micro-resonator, worden twee verstrikt fotonen (bekend als signaal en niet aangedreven) geproduceerd door spontane vier-Golf mengen, via de vernietiging van twee excitatie fotonen – met de daaruit voortvloeiende paar gegenereerd in een superpositie van de holte van gelijkmatig resonant frequentie modi (Figuur 1). Als er samenhang is tussen de modi voor individuele frequentie, is een frequentie-bin verstrikt staat gevormde¹⁰, die vaak wordt aangeduid als een twee foton modus-vergrendeld staat¹¹. Deze staat golf-functie kan worden beschreven,

Hier, en zijn de single-frequentie-mode niet aangedreven en signaal onderdelen, respectievelijk, en is de amplitude van de waarschijnlijkheid voor het -th modus van de signaal-niet aangedreven paar.

Eerdere demonstraties van op-Spaander QFCs markeren hun veelzijdigheid als levensvatbare quantum informatie platforms, en omvatten kammen van gecorreleerde fotonen¹², kruis-gepolariseerde fotonen¹³, verstrikt fotonen^{14,15 , 16}, multi foton Staten¹⁵, en frequentie-bin verstrikt Staten^9,17. Hier, wij bieden een gedetailleerd overzicht van het QFC platform en een protocol voor hoge-dimensionale frequentie-bin verstrikt optische staat generatie en controle.

Toekomstige quantum toepassingen, vooral die worden geïnterfacet met high-speed elektronica (voor tijdige informatieverwerking), eisen de generatie van de hoge-snelheid van hoge zuiverheid foton Staten in een compacte en stabiele setup. We gebruiken een regeling actief modus-vergrendeld, geneste holte QFCs om binnen te komen de telecommunicatie L, S en C beschikbaar te stellen frequentiebanden Een micro-ring is opgenomen in een grotere gepulste laser Holte, met optische winst (verstrekt door een erbium doped vezel versterker, EDFA) gefilterd zodat deze overeenkomen met de micro-ring excitatie bandbreedte¹⁸. Modus-vergrendeling wordt actief via electro-optic modulatie van de holte verliezen¹⁹gerealiseerd. Een isolator zorgt ervoor dat puls propagatie een en dezelfde richting volgt. De resulterende pulse trein heeft zeer lage root mean square (RMS) ruis en vertoont afstembare herhaling tarieven en pulse bevoegdheden. Een hoge isolatie notch filter scheidt de uitgestoten QFC fotonen uit de excitatie-veld. Deze interne fotonen worden dan begeleid door vezels voor controle en detectie.

Onze regeling is een stap in de richting een generatie-hoog, kleine voetafdruk QFC bron, zoals alle onderdelen gebruikt potentieel kunnen worden geïntegreerd op een fotonische chip. Daarnaast is gepulseerde excitatie bijzonder goed geschikt voor quantum toepassingen. Ten eerste, als we kijken naar een paar micro-holte resonanties symmetrische aan de excitatie, het twee-foton Staten waar elke foton wordt gekenmerkt door een single-frequentie modus-centrale voor lineaire optische quantum computing²⁰genereert. Evenals, kunnen multi foton Staten worden gegenereerd door verplaatsen naar hogere macht excitatie regimes en het selecteren van meerdere signaal-niet aangedreven paren¹⁵. Ten tweede, als de fotonen worden uitgestoten in bekende tijd windows overeenkomt met de gepulste excitatie, post-processing en gating kunnen worden geïmplementeerd ter verbetering van de opsporing van de staat. Misschien belangrijkst, ondersteunt onze regeling hoge generatie tarieven van foton toestanden met behulp van harmonische modus-vergrendeling zonder vermindering van toeval-naar-accidental verhouding van (auto) – kan de weg voor snelle, multi-kanaals quantum informatie effenen technologieën.

Om aan te tonen het effect en de haalbaarheid van het frequentie-domein, moet de controle van de QFC Staten op een gerichte manier, zorgen voor zeer efficiënte transformaties en coherentie van de staat worden uitgevoerd. Om te voldoen aan deze eisen, we gebruiken trapsgewijze programmeerbare filters en fase modulatoren – gevestigde componenten in de telecommunicatie-industrie. Programmeerbare filters kunnen worden gebruikt om een willekeurige spectrale amplitude en fase masker op de afzonderlijke fotonen, met een resolutie voldoende inspelen op elke frequentie modus individueel; te leggen en electro-optic fase modulatoren gedreven door radio-frequentie (RF) signaal generatoren vergemakkelijken het mengen van frequentie onderdelen²¹.

Het belangrijkste aspect van deze controleregeling is dat het werkt op alle quantum modi van de fotonen gelijktijdig in één ruimtelijke modus, met behulp van één schakelaar elementen. Verhoging van de kwantumtoestand dimensionaliteit zal niet leiden tot een toename van de complexiteit van de installatie, in tegenstelling tot pad – of tijd-bin entanglement regelingen. Ook alle onderdelen zijn extern herconfigureerbare (dat wil zeggen de operaties kunnen worden gewijzigd zonder wijziging van de installatie) en gebruik van de bestaande telecommunicatie-infrastructuur. Dus, bestaande en toekomstige ontwikkelingen op het gebied van de ultrasnelle optische verwerking kunnen worden rechtstreeks overgedragen aan de schaalbare controle van kwantumtoestanden in de toekomst.

Kortom, de exploitatie van het frequentie-domein door QFCs ondersteunt alleen het genereren van hoge-snelheid van complexe kwantumtoestanden en hun controle, en is dus geschikt voor de winning van complexe staten naar praktische en schaalbare quantum technologieën.