Génération et un contrôle cohérent des peignes de fréquence pulsée Quantum

Le contrôle des phénomènes quantiques ouvre la possibilité pour les nouvelles applications dans des domaines aussi variés que sûr quantum communications¹, traitement quantique de détection³et²de l’information quantique puissant. Alors qu’une grande variété de plates-formes physiques sont activement recherchées pour les réalisations de quantum technologies⁴, optique des États quantiques sont candidats importants car ils peuvent montrer fois long cohérence et stabilité du bruit extérieur, excellent caractéristiques de transmission, ainsi que la compatibilité avec l’existant de télécommunications et des technologies de puce (CMOS) de silicium.

Pour pleinement réaliser le potentiel des photons de technologies quantiques, contenu de complexité et d’information État peut être augmenté par l’utilisation de plusieurs parties enchevêtrés ou haute-dimensionnalité. Cependant, la génération sur puce de ces États optiques manque de praticité car configurations sont compliquées, pas parfaitement évolutive ou de l’utilisent de composants hautement spécialisé. Plus précisément, chemin de grande dimension-intrication exige sources identiques avec cohérence et excités et circuits élaborés de faisceau-diviseurs⁵ (où est la dimensionnalité de l’État), tandis qu’a besoin de temps-enchevêtrement complexe interféromètres multi-bras⁶. Fait remarquable, le domaine fréquentiel est adapté pour la génération évolutive et le contrôle des États complexes, comme en témoigne sa récente exploitation quantique fréquence peignes (CFQ)^7,8 en utilisant une combinaison d’optique intégrée et télécommunications infrastructures⁹et fournit un cadre prometteur pour les technologies de l’information quantique futurs.

QFCs sur puce sont générés à l’aide des effets optiques non linéaires dans les cavités-micro intégrées. À l’aide d’un tel micro-résonateur non linéaire, deux photons intriqués (remarqués que le signal et idler) sont produites par spontanée mélange à quatre ondes, par l’intermédiaire de l’anéantissement des deux photons d’excitation – avec la paire résultante générée dans une superposition de la cavité modes de fréquence de résonance espacées (Figure 1). S’il y a cohérence entre les modes de fréquences individuelles, un état de fréquence-bin empêtré est formé¹⁰, qui est souvent considéré comme un mode bloqué deux photons état¹¹. Cette fonction d’onde État peut être désignée,

Ici, et sont le galet tendeur de fréquence-monomode et signal composantes, respectivement, et est l’amplitude de probabilité pour le paire de mode signal-oisif – th.

Manifestations précédentes de sur puce QFCs soulignent leur polyvalence comme plates-formes d’information quantique viable et comprennent des peignes de photons corrélés¹², les photons de polarisation croisée¹³, les photons intriqués^{14,15 , 16}, multiphotonique déclare¹⁵et fréquence-bin empêtré États^9,17. Ici, nous fournissons un aperçu détaillé de la plate-forme CFQ et un protocole pour la fréquence de grande dimension-bin empêtré contrôle et génération d’État optique.

Des applications quantiques futures, surtout ceux à être interfacé avec l’électronique à grande vitesse (pour le traitement de l’information en temps opportun), exigent la génération haut débit des États de photons de grande pureté dans une configuration compacte et stable. Nous utilisons un régime cavité activement mode bloqué, imbriqués pour produire QFCs dans les télécommunications à des bandes de fréquence S, C et L. Un anneau en micro est incorporé dans une plus grand laser pulsé cavité, avec gain optique (fourni par un amplificateur à fibre dopée à l’erbium, EDFA) filtrée pour correspondre à l’excitation de micro-anneau bande passante¹⁸. Mode de verrouillage est activement réalisé via électro-optiques modulation de la cavité pertes¹⁹. Un isolateur assure que la propagation des impulsions suit une direction unique. Le train d’impulsions qui en résulte a de bruit très faible moyenne quadratique (RMS) et présente des taux de redoublement accordable et pouvoirs de l’impulsion. Un filtre haute isolation sépare les photons émis des CFQ du champ d’excitation. Ces photons uniques sont ensuite guidés par l’intermédiaire de fibres pour la détection et de contrôle.

Notre projet est une étape vers un taux de production élevé, source CFQ de faible encombrement, comme tous les composants utilisés peuvent potentiellement être intégrés sur une puce photonique. En outre, excitation puisée est particulièrement bien adaptée pour des applications quantiques. Tout d’abord, en regardant une paire de micro-cavité résonances symétriques à l’excitation, il génère deux photons États où chaque photon est caractérisée par une fréquence unique mode – centrale quantique optique linéaire, calcul²⁰. Ainsi, multiphotonique États peuvent être générés en se déplaçant à des régimes d’excitation puissance plus élevées et en sélectionnant plusieurs paires de signal-galet tendeur¹⁵. Deuxièmement, comme les photons sont émis dans les fenêtres de temps connue correspondant à l’excitation puisée, post-traitement et le déclenchement peuvent être implémentées pour améliorer la détection de l’État. Peut-être plus important encore, notre régime supporte des taux de génération haute des États de photons à l’aide de verrouillage de mode harmonique sans pour autant réduire le ratio de coïncidence à-accidentelle (voiture)-qui pourrait ouvrir la voie pour l’information quantique à grande vitesse, multicanal technologies.

Afin de démontrer l’impact et la faisabilité de la fréquentiel, contrôle des CFQ États doit être accomplie de manière ciblée, assurer des transformations très efficaces et la cohérence de l’État. Pour satisfaire ces exigences, nous utilisons des filtres programmables en cascade et modulateurs de phase – composants établies dans l’industrie des télécommunications. Filtres programmables peuvent servir à imposer une amplitude spectrale arbitraire et masque de phase sur les photons uniques, avec une résolution suffisante pour traiter chaque mode fréquence individuellement ; et modulateurs électro-optiques phase conduits par les générateurs de signaux radio-fréquence (RF) facilitent le mélange des composants de fréquence²¹.

L’aspect le plus important de ce régime de contrôle est qu’il fonctionne sur tous les modes de quantique des photons simultanément dans un seul mode spatial, à l’aide d’éléments de contrôle unique. Augmentant la dimensionnalité de l’état quantique ne conduira pas à une augmentation de la complexité de l’installation, contrairement aux régimes enchevêtrement chemin – ou temps-bin. Ainsi, tous les composants sont extérieurement reconfigurable (c’est-à-dire les opérations peuvent être modifiées sans modifier l’installation) et utiliser l’infrastructure de télécommunications existante. Ainsi, des développements actuels et à venir dans le domaine de traitement optique ultrarapide peuvent être transférées directement au contrôle évolutif des États quantiques dans l’avenir.

En résumé, l’exploitation de la fréquence-domaine de QFCs prend en charge la génération de taux élevé d’états quantiques complexes et leur contrôle et est donc bien adaptée pour le harnachement des États complexes vers les technologies quantiques pratique et évolutif.