Geração e controle coerente de pentes de frequência pulsada Quantum

O controle de fenômenos quânticos abre a possibilidade de novas aplicações em campos tão diversos como seguro quântica comunicações¹, informação quântica poderoso processamento²e quântica sensoriamento³. Enquanto uma variedade de plataformas físicas ativamente estão sendo pesquisados para as realizações de quântica tecnologias⁴, óticos estados quânticos são candidatos importantes, como eles podem apresentar vezes longo coerência e estabilidade do ruído externo, excelente Propriedades de transmissão, bem como compatibilidade com existente das telecomunicações e tecnologias de silício microplaqueta (CMOS).

No sentido de realizar plenamente o potencial de fótons para tecnologias quânticas, conteúdo de informações e a complexidade do estado pode ser aumentado com o uso de múltiplas partes emaranhadas e/ou alta-dimensionalidade. No entanto, a geração de em-microplaqueta desses Estados óptico não possui praticidade como configurações são complicadas, não perfeitamente escalável, e/ou usam componentes altamente especializados. Especificamente, requer alta dimensão caminho-emaranhamento fontes idênticas coerentemente-animado e elaborados circuitos de feixe-divisores⁵ (onde é a dimensionalidade do estado), enquanto que precisa de tempo-entrelaçamento complexo interferômetros multi braço⁶. Notavelmente, o domínio da frequência é adequado para a geração escalável e o controle dos Estados complexos, como mostrado pela sua recente exploração em quântica frequência pentes (QFC)^7,8 usando uma combinação de óptica integrada e de infra-estruturas de telecomunicações⁹e fornece um quadro promissor para as tecnologias da informação quântica futura.

QFCs em-microplaqueta são gerados usando efeitos ópticos não lineares em microcavidades integradas. Usando tal um não-linear microressonador, dois fótons emaranhados (Note-se como sinal e tensor) são produzidos por espontânea quatro ondas de mistura, através da aniquilação de dois fótons de excitação – com o par resultante gerado em uma superposição da cavidade modos de frequência ressonante uniformemente espaçados (Figura 1). Se há coerência entre os modos de frequência individual, um estado de frequência-bin enredado é formado¹⁰, que é muitas vezes referida como um estado de modo bloqueado dois fótons¹¹. Esta função de onda do estado pode ser descrita por,

Aqui, e são o tensor de frequência-monomodo e sinal de componentes, respectivamente, e é a amplitude de probabilidade para o par de modo de sinal-tensor – th.

Manifestações anteriores em-microplaqueta QFCs destacam sua versatilidade como plataformas de informação quântica viável e incluem pentes de fótons correlacionados¹², fótons polarizados Cruz¹³,^14,de fótons emaranhados^{15 , 16}, multi fóton afirma¹⁵e frequência-bin enredada Estados^9,17. Aqui, nós fornecemos uma descrição detalhada sobre a plataforma QFC e um protocolo para frequência alta dimensão-bin emaranhado controle e geração de ópticas do estado.

Aplicações futuras quântica, especialmente aqueles para ser interfaceado com eletrônica de alta velocidade (para o processamento de informações oportunas), exigem a geração de altas taxas de Estados de fótons de alta pureza em uma configuração compacta e estável. Nós usamos um esquema de cavidade ativamente modo bloqueado, aninhados para produzir QFCs dentro das Telecomunicações S, C e L bandas de frequência. Um anel de micro é incorporado uma cavidade mais ampla do laser pulsado, com ganho óptico (fornecido por um amplificador de fibra dopados com érbio, EDFA) filtrada para coincidir com a excitação de microanel de largura de banda¹⁸. Modo de bloqueio é realizado activamente através da modulação electro-óptica da cavidade perdas¹⁹. Isolador garante que a propagação do pulso segue uma única direção. O trem de pulso resultante tem ruído muito baixo raiz média quadrática (RMS) e exibe a repetência ajustáveis e poderes de pulso. Um filtro de entalhe elevado isolamento separa os fótons emitidos de QFC do campo de excitação. Estes fótons único então são guiados através de fibras de controle e de detecção.

Nosso esquema é um passo para uma alta taxa de geração, fonte QFC reduzido, como todos os componentes usados, potencialmente, podem ser integrados em um chip fotônico. Além disso, excitação pulsada é particularmente bem adaptada para aplicações de quântica. Primeiro, olhando para um par de microcavidade ressonâncias simétricas para a excitação, ele gera dois fotões Estados onde cada fóton é caracterizada por uma frequência única modalidade – central para linear óptica quântica computação²⁰. Também, fótons vários Estados podem ser gerados, movendo-se para regimes de excitação maiores poder e selecionando múltiplos pares de sinal-tensor¹⁵. Em segundo lugar, como os fótons são emitidos em janelas de tempo conhecido correspondente a excitação pulsada, pós-processamento e retenção podem ser implementados para melhorar detecção do estado. Talvez mais significativamente, o nosso esquema suporta taxas de alta geração de fótons Estados usando o bloqueio de modo harmônico sem reduzir a relação de coincidência-para-acidental (carro) – que poderá abrir caminho para informação quântica de alta velocidade, multi-canal tecnologias.

Para demonstrar o impacto e a viabilidade do domínio de frequência, controle de Estados QFC deve ser realizado em maneiras de alvo, garantindo a coerência do estado e transformações altamente eficientes. Para satisfazer tais requisitos, usamos filtros programáveis em cascata e moduladores de fase – componentes estabelecidos na indústria de telecomunicações. Filtros programáveis podem ser usados para impor uma amplitude espectral arbitrária e as máscaras de fase os fótons única, com uma resolução suficiente para abordar cada modo de frequência individualmente; e moduladores de electro-óptica fase impulsionados por geradores de sinal de rádio-frequência (RF) facilitam a mistura dos componentes de frequência²¹.

O aspecto mais importante deste esquema de controle é que opera em todos os modos de quântica dos fótons simultaneamente em um único modo espacial, usando elementos de controle único. Aumentando a dimensionalidade do estado quântico não conduzirá a um aumento da complexidade da instalação, em contraste com esquemas de emaranhamento do caminho – ou tempo-bin. E também todos os componentes são reconfigurável externamente (ou seja, as operações podem ser alteradas sem que altera a configuração) e usar a infra-estrutura de telecomunicações existente. Assim, existentes e futuros desenvolvimentos no campo do processamento óptico ultra rápido podem ser transferidos diretamente para o controle evolutivo de estados quânticos no futuro.

Em resumo, a exploração do domínio de frequência por QFCs oferece suporte a geração de altas taxas de complexos estados quânticos e seu controle e, assim, é well-suited para o aproveitamento dos Estados complexos para as tecnologias de quântico prático e escalável.