世代とパルスの量子周波数コムのコヒーレント制御

量子現象のコントロールは、安全な量子通信¹²、および³をセンシング量子の強力な量子情報処理などの多様な分野で新しいアプリケーションの可能性を開きます。一方、さまざまな物理的なプラットフォームは、量子技術⁴の認識のために積極的に研究されている、光の量子状態は、重要な候補者彼らは長いコヒーレンス時間と外部ノイズ、優れた安定性を示すことができます。既存の通信とシリコン チップ (CMOS) 技術との互換性と同様、伝送特性。

に向かって光子量子技術の可能性を完全に実現するには、複数の量子もつれの当事者および/または高次元を使用して状態の複雑さと内容を増やすことができます。しかし、このような光の状態のチップの世代は、セットアップは、複雑な完全にスケーラブルではない、または専門性の高いコンポーネントを使用して実用性を欠いています。具体的には、高次元のパス-エンタングルメントが必要です同一ソースのコヒーレント励起とビームスプリッター⁵の精巧な回路 (どこ状態の次元は、) 時間エンタングルメントを必要と複雑な間、マルチ アーム干渉計⁶。驚くことに、周波数ドメインは適してのスケーラブルな生成と複雑な状態の制御量子周波数櫛 (QFC)^7,8統合された光学系の組み合わせを使用して、最近の開発によって示すようと通信インフラ⁹、将来の量子情報技術の有望なフレームワークを提供します。

統合されたマイクロ共振器における非線形光学効果を用いたオンチップ QFCs が生成されます。このような非線形マイクロ共振を使用すると、(信号およびアイドラーとして記載されて) 2 つの光子は消滅励起光子 – キャビティの重ね合わせで生成される結果のペアを介して、自発の 4 波の混合によって生成されます。等間隔共鳴周波数モード (図 1)。個々 の周波数モード間干渉がある場合周波数量子もつれ状態は形成された¹⁰、¹¹モード ロック 2 光子状態として呼ばれるです。この状態の波動関数を記述できます。

ここでは、とモード単一周波数のアイドラーは、コンポーネントをそれぞれ、信号との確率振幅は、番目信号アイドラー モード ペア。

チップの QFCs の前のデモ実行可能な量子情報プラットフォームとして多様性を強調表示し、光子^14,15 , 交差偏光の光子¹³相関光子対¹²の櫛を含める^,16, 多光子状態¹⁵、および周波数ビン エンタングル状態^9,17。ここでは、我々 は QFC プラットフォームの詳細な概要を提供するや、高次元の周波数のためのプロトコルもつれ光状態の生成と制御。

将来の量子力学の応用、特にそれら (情報処理) 用高速電子機器に接続するのには、コンパクトかつ安定的なセットアップで純度の高い光子状態の高速生成を要求します。我々 は、S、C、L バンド通信内で QFCs を生成するのに能動モード同期、入れ子になった空洞方式を使用します。マイクロ リングは、マイクロ リング励起帯域幅¹⁸に一致するフィルター (エルビウム ドープ光ファイバー増幅器、光増幅器によって提供される) 利得を有するより大きいパルス レーザー キャビティに組み込まれます。ロック モードをキャビティ損失¹⁹電気光学変調を介して積極的に実現します。アイソレータは、パルスの伝搬方向が一方向に従うことを保証します。結果のパルスはノイズが非常に低い平均平方根 (RMS) と可変の繰り返し速度とパルスの力を展示します。高アイソレーション ノッチ フィルターを分離放出 QFC 光子励起場から。これらの単一光子制御・検出用ファイバー、導かれます。

本方式は高生成率、小フット プリント QFC ソース歩フォトニック チップに使用されるすべてのコンポーネントを統合可能性のあることができます。また、パルス励起は量子力学の応用に特に適して。まず、微小共振器の共鳴励起に対称のペアを見て、各フォトンは線形光学量子コンピューティング²⁰の単一周波数モード-中央で特徴づけられる、二光子励起状態を生成します。同様に、高い電源励起体制に移動し、選択する複数の信号アイドラー ペア¹⁵多光子の状態を生成できます。第二に、光子は、パルス励起に対応する既知の時刻ウィンドウで出力されますと後処理とゲートを実装できます状態検出を改善するために。おそらく最も重要な我々 のスキーム サポート ハーモニック モード ロックを用いた高速、多チャンネル量子情報の道を開くことができる偶然の事故比率 (CAR)-を減らすことがなく光子状態の高発生率技術。

影響と周波数ドメインの実現可能性を示すためには、QFC 状態の制御は、非常に効率的な変換と状態の一貫性を確保する対象となる方法で達成されなければなりません。このような要件を満たすためには、我々 は通信業界で確立されたコンポーネント-位相変調器カスケード プログラム可能なフィルターを使用します。任意のスペクトル振幅と周波数モードごとに個別に対処するための十分な解像度を持つ単一の光子の位相マスクを課すことをプログラミング可能なフィルターを使用できます。無線周波数 (RF) 信号発生器による電気光学位相変調器が周波数コンポーネント²¹の混合を促進します。

この制御方式の最も重要な側面は、すべて単一のコントロール要素を使用して、単一空間モードで同時に光子の量子モードで動作することです。量子状態の次元を増やすことがなく、パスまたは時間箱エンタングルメント スキームとは異なり、セットアップの複雑さの増加に します。同様に、すべてのコンポーネントが外部から再構成可能な (つまり、セットアップを改正せず操作を変更ことができます)、既存の通信インフラを使用します。したがって、超高速光処理の分野で既存および今後の開発することができますに直接転送量子状態のスケーラブルな制御、将来的に。

要約すると、QFCs による周波数ドメインの搾取は複雑な量子状態とその制御の高速生成をサポートし、従って実用的かつスケーラブルな量子技術に向かって複雑な状態の活用に適しています。