Generación y Control coherente de peines de frecuencia pulsada Quantum

El control de fenómenos cuánticos abre la posibilidad de nuevas aplicaciones en campos tan diversos como quantum seguro comunicaciones¹,²y³de detección cuántica de procesamiento de la información de quantum de gran alcance. Mientras que una variedad de plataformas físicas están investigando activamente para las realizaciones de quantum technologies⁴, Estados cuánticos ópticos son candidatos importantes como exhiben tiempos largos de la coherencia y estabilidad de ruido externo, excelente propiedades de transmisión, así como la compatibilidad con los existentes de telecomunicaciones y tecnologías de silicio viruta (CMOS).

Para realizar plenamente el potencial de fotones para tecnologías cuánticas, contenido de la información y la complejidad del estado puede incrementarse mediante el uso de múltiples partidos enredados o alta dimensionalidad. Sin embargo, la generación de la en-viruta de esos Estados ópticos carece de practicidad como configuraciones son complicados, no perfectamente escalable, o utilizan componentes altamente especializados. Específicamente, enredo de la ruta de acceso multidimensional requiere fuentes idénticas emocionado coherente y elaborados circuitos de divisores de viga⁵ (donde es la dimensionalidad del estado), mientras que complejo entrelazamiento de tiempo Interferómetros de múltiples brazos⁶. Notablemente, el dominio de la frecuencia es adecuado para la generación escalable y control del complejo de los Estados, como lo demuestra su reciente explotación en quantum frecuencia peines (QFC)^7,8 usando una combinación de óptica integrada y de infraestructuras de telecomunicaciones⁹y proporciona un marco prometedor para tecnologías de la información cuántica futuro.

QFCs de la en-viruta se generan usando efectos ópticos no lineales en cavidades del micro integradas. Con tal no lineal micro-resonador, dos fotones enredados (conocidos como señal y rueda loca) se producen mezclando espontáneo cuatro-agite, a través de la aniquilación de dos fotones de excitación, con el par resultante generado en una superposición de la cavidad modos de frecuencia resonante uniformemente espaciados (figura 1). Si hay coherencia entre los modos de frecuencia individual, un estado de frecuencia-bin enredado es formado¹⁰, que se refiere a menudo como un modo-bloqueado dos fotones estado¹¹. Esta función de onda del estado puede ser descrita por,

Aquí, y son la loca de frecuencia unimodales y señal componentes, respectivamente, y es la amplitud de probabilidad para el par de modo señal loca – th.

Manifestaciones anteriores de la en-viruta QFCs destacan su versatilidad como plataformas de información cuántica viable e incluyen peines de fotones correlacionados¹²fotones polarización transversal¹³,^14,de fotones enredados^{15 , 16}, fotones múltiples estados¹⁵y frecuencia-bin enredado Estados^9,17. Aquí, ofrecemos una descripción detallada de la plataforma QFC y un protocolo para frecuencia multidimensional-bin enredado estado óptico generación y control.

Aplicaciones de futuro cuántico, especialmente aquellos para interconectar con la electrónica de alta velocidad (para el procesamiento de la información), exigen la alta tasa de generación de Estados de los fotones de alta pureza en una configuración compacta y estable. Utilizamos un esquema cavidad activa modo-bloqueado, anidados para producir QFCs dentro de las telecomunicaciones, las bandas de frecuencia S, C y L. Un anillo de micro se incorpora a una cavidad más grande laser pulsado, con aumento óptico (proporcionado por un amplificador de fibra dopada de erbio EDFA) filtrada para que coincida con el ancho de banda de micro anillo excitación¹⁸. Modo de bloqueo se realiza activamente mediante modulación de electro-óptico de la cavidad pérdidas¹⁹. Un aislador se asegura de que la propagación del pulso sigue una sola dirección. El tren de pulsos resultante tiene ruido muy bajo de la media cuadrática (RMS) y exhibe las tasas de repetición armoniosa y poderes de pulso. Un filtro de muesca de alto aislamiento separa los fotones emitidos de QFC desde el campo de excitación. Estos fotones solo entonces son guiados a través de las fibras para el control y detección.

Nuestro esquema es un paso hacia una alta tasa de generación, fuente QFC de tamaño pequeño, como todos los componentes utilizados potencialmente pueden ser integrados en un chip fotónico. Además, la excitación pulsada es particularmente adecuada para aplicaciones de quantum. En primer lugar, mirando un par de resonancias micro cavidad simétricas a la excitación, que genera dos fotones Estados donde cada fotón se caracteriza por una frecuencia única modo – central lineal cuántica óptica informática²⁰. Así, los Estados múltiples del fotón pueden ser generados por hacia regímenes de excitación de energía superiores y seleccionando múltiples pares señal loca¹⁵. En segundo lugar, como fotones se emiten en las ventanas de tiempo conocido corresponde a la excitación pulsada, post-proceso y control se pueden implementar para mejorar la detección de estado. Quizás más significativamente, nuestro esquema compatible con velocidades de alta generación de Estados del fotón con bloqueo de modo armónico sin reducir la proporción de coincidencia a accidental (coche) – que podría allanar el camino para la información cuántica de alta velocidad, varios canales tecnologías.

Para demostrar el impacto y la viabilidad del dominio de la frecuencia, debe realizarse control de QFC Estados de maneras específicas, garantizando las transformaciones eficientes y coherencia del estado. Para satisfacer tales requisitos, utilizamos filtros programables en cascada y moduladores de fase – componentes establecidos en la industria de telecomunicaciones. Filtros programables pueden utilizarse para imponer una amplitud espectral arbitraria y una máscara de fase de los fotones individuales, con una resolución suficiente para abordar cada modo frecuencia individualmente; y moduladores electro-ópticos fase impulsados por generadores de señal de radiofrecuencia (RF) facilitan la mezcla de componentes de frecuencia²¹.

El aspecto más importante de este esquema de control es que funciona en todos los modos de cuántica de los fotones simultáneamente en un solo modo espacial, utilizando los elementos de mando único. Aumenta la dimensionalidad del estado cuántico no conducirá a un aumento en la complejidad de la instalación, a diferencia de esquemas de ruta-tiempo-compartimiento o enredo. Así, todos los componentes son reconfigurable externamente (es decir, las operaciones pueden modificarse sin modificar la configuración) y utilizar la infraestructura de telecomunicaciones existente. Por lo tanto, existentes y futuros desarrollos en el campo de procesamiento óptico ultrarrápida pueden ser transferidos directamente al control de estados cuánticos escalable en el futuro.

En Resumen, la explotación del dominio de la frecuencia de QFCs apoya la generación de altas tasas de complejos estados cuánticos y su control y así está bien adapta para la utilización de complejos Estados hacia tecnologías cuánticas prácticas y escalables.