Üretimi ve tutarlı Pulsed kuantum frekansı Combs kontrolünü
Summary
Bir iletişim kuralı pratik üretimi ve entegre mikro-oyuk ve standart telekomünikasyon bileşenleri, sırasıyla kullanarak yüksek boyutlu frekans-bin dolaşmış foton Birleşik tutarlı manipülasyon için sunulmaktadır.
Abstract
Biz üretimi ve tutarlı pulsed kuantum frekansı tarak manipülasyon için bir yöntem mevcut. Şimdiye kadar yüksek boyutlu Birleşik üstünde-küçük parça pratik bir şekilde hazırlama yöntemleri hazırlamak ve gibi devletler işlemek için gerekli kuantum devresi artan karmaşıklığı nedeniyle zor kalmıştır. Burada, biz anahat nasıl yüksek boyutlu, frekans-bin dolaşmış, iki fotonlu Birleşik doğrusal olmayan bir mikro-kavite, iç içe-kavite, aktif modu kilitli uyarma kullanarak bir nesil kararlı, yüksek oranda oluşturulabilir. Bu teknik pulsed kuantum frekansı tarak üretmek için kullanılır. Ayrıca, biz mevcut nasıl kuantum Birleşik tutarlı olabilir programlanabilir filtreler ve elektro-optik modülatörler gibi standart telekomünikasyon bileşenleri kullanarak manipüle. Özellikle, devlet karakterizasyonu ölçümleri yoğunluğu matris imar, tesadüf algılama ve tek foton spektrum belirlenmesi gibi gerçekleştirmek nasıl ayrıntılı olarak gösteriyor. Sunulan yöntemleri frekans etki alanında karmaşık yüksek boyutlu devlet hazırlık ve manipülasyon protokolleri için erişilebilir, reconfigurable ve ölçeklenebilir bir temel oluşturur.
Introduction
Kuantum olayların kontrolünü olasılığını yeni uygulamalar için güvenli kuantum iletişim1, güçlü kuantum bilgi işleme2ve3algılama kuantum gibi çeşitli alanlardaki açılır. Fiziksel farklı platformlarda-aktif olarak var araştırma kuantum teknolojileri4gerçekleşmeleri için onlar uzun tutarlılık kez ve istikrar dış ses, mükemmel gelen sergilemek gibi optik kuantum Birleşik önemli adaylar iken iletim özellikleri yanı sıra varolan telekomünikasyon ve silikon çip (CMOS) teknolojileri ile uyumluluk.
Fotonlar kuantum teknolojileri için potansiyelini tam olarak anlayan doğru devlet karmaşıklığı ve bilgi içeriği birden fazla dolaşık partiler ve/veya yüksek dimensionality kullanımı yoluyla arttırılabilir. Ancak, kurulumları, karışık, tamamen ölçeklenebilir ve/veya son derece uzmanlaşmış bileşenleri kullanmak gibi optik gibi devletler üstünde-küçük parça nesil pratiklik eksik. Özellikle, yüksek boyutlu yolu-Dolaşıklık gerektirir 
aynı kaynakları tutarlı heyecanlı ve ayrıntılı devreler ışını-kırma5 (nerede devlet dimensionality olduğunu), zaman dolanıklık karmaşık ihtiyacı çok kol interferometre6. Dikkat çekici, frekans-etki alanı karmaşık Birleşik, kontrolünü ve ölçeklenebilir üretimi için onun son sömürü birleşimiyle tümleşik optik kuantum frekansı tarak (QFC)7,8 tarafından gösterildiği gibi çok uygundur ve Telekomünikasyon altyapıları9ve gelecekteki kuantum bilgi teknolojileri için umut verici bir çerçeve sağlar.
Üstünde-küçük parça QFCs doğrusal olmayan optik etkiler içinde entegre mikro boşlukları kullanarak oluşturulur. Böyle bir doğrusal olmayan mikro-rezonatör kullanarak, iki dolaşık fotonlar (sinyal ve avara kaydetti) spontan dört-dalga, iki uyarma fotonlar – kavite’nın bir süperpozisyon içinde oluşturulan sonuç çift ile imha ile karıştırılarak üretilmektedir rezonans frekansı eşit aralıklı modları (Şekil 1). Tek tek frekans modları arasında tutarlılık ise, bir frekans-bin dolaşmış kez bir iki foton modu kilitli devlet11verilen kurulan10, durumudur. Bu devlet dalga fonksiyonu tarafından tanımlanabilir,
Burada, 
ve 
tek frekans modu avara vardır ve bileşenleri, sırasıyla, sinyal ve 
için olasılık genlik olduğunu 
-th sinyal-avara modu çifti.
Üstünde-küçük parça QFCs önceki gösteriler onların çok yönlü uygun kuantum bilgi platformlar olarak vurgulayın ve Taraklar ilişkili fotonlar12, fotonlar çapraz polarize13, dolaşık fotonlar14,15 dahil , 16, çoklu foton15Devletler ve Birleşik9,17frekans-bin dolaşmış. Burada, biz QFC platformu, ayrıntılı bir genel bakış sağlar ve yüksek boyutlu frekans-depo gözü için bir protokol optik devlet üretimi ve denetim dolaşmış.
Gelecekteki kuantum uygulamalar, özellikle de yüksek hızlı elektronik (için zamanında bilgi işleme), arabirim için yüksek saflıkta foton Birleşik bir kompakt ve istikrarlı Kur yüksek oranlı nesil talep ediyorum. QFCs telekomünikasyon S, C ve L frekans bantlarında içinde üretmek için bir aktif modu kilitli, iç içe geçmiş kavite düzenini kullanırlar. Bir mikro-ring mikro-ring uyarma bant genişliği18maç için filtre uygulanmış bir daha büyük lazer boşluğa, optik kazancı (bir lif Erbiyum katkılı amplifikatör EDFA tarafından sağlanan) kurulmuştur. Kilitleme modu aktif kavite kayıp19elektro-optik modülasyon gerçekleştirilmektedir. Bir izolatör darbe yayma tek bir yönü izler sağlar. Elde edilen darbe Tren çok düşük kök ortalama kare (RMS) gürültü vardır ve akort tekrarlama oranları ve nabız yetkileri sergiler. Yüksek yalıtım çentik filtresi verilmiş QFC fotonlar uyarma alanından ayıran. Bu tek fotonlar sonra Denetim ve algılama için lifler aracılığıyla yönlendirilir.
Olarak kullanılan tüm bileşenleri potansiyel fotonik bir çip entegre bizim düzeni üretimi-oranı yüksek, az yer kaplayan QFC kaynak, doğru bir adımdır. Ayrıca, darbeli uyarma kuantum uygulamaları için özellikle uygundur. İlk olarak, mikro-kavite rezonanslar uyarma için simetrik bir çift bakarak, nerede her foton tek frekanslı modu-merkezi bir doğrusal Optik Kuantum20bilgisayar için karakterize iki fotonlu Birleşik oluşturur. De, çoklu foton Birleşik daha yüksek güç uyarma rejimleri için taşıma ve birden çok sinyal-avara çiftleri15seçme oluşturulabilir. Bilinen zaman Windows için Darbeli uyarma karşılık gelen fotonlar yayılan gibi ikinci olarak, son işlem ve perdeleme durumu algılama geliştirmek için uygulanabilir. Belki de en önemlisi, bizim düzeni harmonik-kilitleme modu kullanarak yüksek hızlı, çok kanallı kuantum bilgi için önünü açabilir tesadüf kaza oranı (araç)-azaltmadan foton devletlerin yüksek üretimi hızlarını destekler teknolojileri.
Etkisi ve frekans etki alanının fizibilite göstermek için QFC Birleşik kontrolünü yüksek verimli dönüşümleri ve devlet tutarlılık sağlanması hedefli şekilde gerçekleştirilmesi gerekir. Böyle gereksinimleri karşılamak için basamaklı programlanabilir filtreler ve faz modülatörler-telekomünikasyon sektöründe kurulan bileşenleri kullanın. Programlanabilir filtreler bir rasgele spektral genlik ve faz maske üzerinde her frekans modu tek tek adreslemek için yeterli bir çözünürlük ile tek fotonlar dayatmaya kullanılabilir; ve elektro-optik faz modülatörler radyo frekanslı (RF) sinyal jeneratörleri tarafından tahrik frekans bileşenleri21/ karıştırma kolaylaştırmak.
En önemli bu kontrol şeması bu fotonlar tek kontrol elemanları kullanarak aynı anda tek bir kayma mod içinde tüm kuantum modları üzerinde çalışır yönüdür. Kuantum durumunda dimensionality artan Kur karmaşıklık, yol veya zaman bin Dolaşıklık düzenleri aksine bir artışa neden olmayacak. Aynı zamanda da tüm bileşenleri (dışarıdan reconfigurable anlamı işlemleri değişmiş Kur değişiklik olmadan) ve varolan telekomünikasyon altyapısını kullanır. Böylece, ultrafast optik işleme alanında mevcut ve gelecek gelişmeler doğrudan kuantum Birleşik ölçeklenebilir denetimine gelecekte transfer edilebilir.
Özetle, frekans-etki alanı QFCs tarafından üzerine yüksek oranlı üretimi kendi kontrolü ve karmaşık kuantum Birleşik destekler ve, böylece doğru pratik ve ölçeklenebilir kuantum teknolojileri karmaşık Birleşik harnessing için çok uygundur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Optik frekans-domain, QFCs, via kuantum uygulamaları için nedenleri bir dizi avantajlıdır. İşlemleri geneldir, oyunculuk tüm aynı anda, hangi sonuçları boyutu veya devlet dimensionality arttıkça karmaşıklığı ölçekli değil bir tasarım Devletler. Bileşenleri yeniden yapılandırılan üstünde-belgili tanımlık-kurulumunu değiştirmeden sinek olabilir ve mevcut ve/veya yarı iletken ve telekomünikasyon altyapıları geliştirme sömürerek entegre yonganın olma yeteneğine sahip olarak geliştiril…
Acknowledgements
R. Helsten teknik anlayış için teşekkür ederiz; S. Kung QPS Photronics ilgili yardım ve işleme donanımları üzerinden; yanı sıra QuantumOpus ve N. Bertone Optoelektronik bileşenleri için destek ve bizim state-of–art foton tespit donanımları ile sağlamak için. Bu eser tarafından aşağıdaki finansman kaynakları mümkün yapıldı: Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi, Kanada (NSERC) (Steacie, stratejik, keşif ve ivme hibe programları, Vanier Kanada Lisansüstü Bursları, USRA burs); Mitacs (IT06530) ve PBEEE (207748); MESI PSR-şiiri girişimi; Kanada araştırma sandalye programı; Avustralya Araştırma Konseyi keşif projeleri (DP150104327); Avrupa Birliği’nin ufuk 2020 araştırma ve yenilik programı Marie Sklodowska-Curie altında (656607) vermek; CityU SRG-Fd programı (7004189); Stratejik öncelik araştırma programı Çin Bilimler Akademisi (XDB24030300); İnsanlar programı (Marie Curie eylemleri) Avrupa Birliği’nin FP7 programı REA Hibe Sözleşmesi INCIPIT (PIOF-GA-2013-625466); Hükümet, Rusya Federasyonu ITMO Bursu ve profesörlük Program (Grant 074-U 01); 1000 yetenekleri Sichuan Program (Çin)
Materials
| Superconducting Nanowire Single-Photon Detector System | Quantum Opus | Opus One | |
| Electro-optic phase modulator | EO-Space | Low loss model | |
| Programmable filter | Finisar | WaveShaper 4000s | |
| Timing electronics | PicoQuant | HydraHarp 400 | |
| Micro-ring resonator | 200 GHz FSR micro-ring resonator made from high refractive index glass. See Ref. 24 for platform details. | ||
| Erbium-doped fiber amplifier | Keopsys | PEFA-SP-C-PM-27-B202-FA-FA | |
| Electro-optic amplitude modulator | Oclaro | SD40 | |
| RF tone source | Rohde & Schwarz | SMP 04 | |
| RF tone amplifier | RF-Lambda | RFLUPA27G34GA | |
| Function generator | Tetronix | AFG 3251 | |
| Isolator | General Photonics | NISO-S-15-SS-FC/APF | |
| Oscilloscope | Tetronix | TDS5052B | |
| Photodiode | Finisar | XPDV 50 GHz | |
| DWDM | OptiWorks | DWFUQUMD08BN | |
| Power supply | Madell | CA18303D |
References
- Kimble, H. J. The quantum internet. Nature. 453 (7198), 1023-1030 (2008).
- Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409 (6816), 46-52 (2001).
- Israel, Y., Rosen, S., Silberberg, Y. Supersensitive Polarization Microscopy Using NOON States of Light. Physical Review Letters. 112 (10), 103604 (2014).
- Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O’Brien, J. L. Quantum Computing. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
- Schaeff, C., Polster, R., Lapkiewicz, R., Fickler, R., Ramelow, S., Zeilinger, A. Scalable fiber integrated source for higher-dimensional path-entangled photonic quNits. Optics Express. 20 (15), 16145 (2012).
- Thew, R., Acin, A., Zbinden, H., Gisin, N. Experimental realization of entangled qutrits for quantum communication. Quantum Information and Computation. 4 (2), 93 (2004).
- Pasquazi, A., et al. Micro-combs: A novel generation of optical sources. Physics Reports. , (2017).
- Caspani, L., et al. Multifrequency sources of quantum correlated photon pairs on-chip: a path toward integrated Quantum Frequency Combs. Nanophotonics. 5 (2), 351-362 (2016).
- Kues, M., et al. On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control. Nature. 546 (7660), 622-626 (2017).
- Olislager, L., et al. Frequency-bin entangled photons. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 82 (1), 1-7 (2010).
- Lu, Y. J., Campbell, R. L., Ou, Z. Y. Mode-Locked Two-Photon States. Physical Review Letters. 91 (16), 1636021-1636024 (2003).
- Reimer, C., et al. Integrated frequency comb source of heralded single photons. Optics Express. 22 (6), 6535-6546 (2014).
- Reimer, C., et al. Cross-polarized photon-pair generation and bi-chromatically pumped optical parametric oscillation on a chip. Nature Communications. 6, 8236 (2015).
- Grassani, D., et al. Micrometer-scale integrated silicon source of time-energy entangled photons. Optica. 2 (2), 88 (2015).
- Reimer, C., et al. Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs. Science. 351 (6278), 1176-1180 (2016).
- Mazeas, F., et al. High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip. Optics Express. 24 (25), 28731 (2016).
- Imany, P., et al. Demonstration of frequency-bin entanglement in an integrated optical microresonator. Conference on Lasers and Electro-Optics. 62 (19), (2017).
- Roztocki, P., et al. Practical system for the generation of pulsed quantum frequency combs. Optics Express. 25 (16), 18940 (2017).
- Haus, H. A. Mode-locking of lasers. IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. 6 (6), 1173-1185 (2000).
- Walmsley, I., Raymer, M. Toward Quantum-Information Processing with Photons. Science. 307, 1733-1735 (2005).
- Olislager, L., Woodhead, E., Phan Huy, K., Merolla, J. M., Emplit, P., Massar, S. Creating and manipulating entangled optical qubits in the frequency domain. Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 89 (5), 1-8 (2014).
- . Finisar WaveShaper Software Available from: https://www.finisar.com/optical-instrumentation (2018)
- Capmany, J., Fernández-Pousa, C. R. Quantum model for electro-optical phase modulation. Journal of the Optical Society of America B. 27 (6), A119 (2010).
- Stocklin, F. . Relative sideband amplitudes versus modulation index for common functions using frequency and phase modulation. , (1973).
- Thew, R. T., Nemoto, K., White, A. G., Munro, W. J. . Qudit quantum-state tomography. , 1-6 (2002).
- Moss, D. J., Morandotti, R., Gaeta, A. L., Lipson, M. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature Photonics. 7 (8), 597-607 (2013).
- Caspani, L., et al. Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics. Light: Science & Applications. 6 (11), e17100 (2017).
- Guo, X., Zou, C., Schuck, C., Jung, H., Cheng, R., Tang, H. X. Parametric down-conversion photon-pair source on a nanophotonic chip. Light: Science & Applications. 6 (5), e16249 (2016).
- Jiang, W. C., Lu, X., Zhang, J., Painter, O., Lin, Q. Silicon-chip source of bright photon pairs. Optics Express. 23 (16), 20884 (2015).
- Xiong, C., et al. Slow-light enhanced correlated photon pair generation in a silicon photonic crystal waveguide. Optics Letters. 36 (17), 3413 (2011).
- Kumar, R., Ong, J. R., Savanier, M., Mookherjea, S. Controlling the spectrum of photons generated on a silicon nanophotonic chip. Nature communications. 5, 5489 (2014).
- Shan, X., Cleland, D., Ellis, A. Stabilising Er fibre soliton laser with pulse phase locking. Electronics Letters. 28 (2), 182 (1992).
- Shan, X., Spirit, D. M. Novel method to suppress noise in harmonically modelocked erbium fibre lasers. Electronics Letters. 29 (11), 979-981 (1993).
- Thoen, E. R., Grein, M. E., Koontz, E. M., Ippen, E. P., Haus, H. A., Kolodziejski, L. A. Stabilization of an active harmonically mode-locked fiber laser using two-photon absorption. Optics Letters. 25 (13), 948 (2000).
- Harvey, G. T., Mollenauer, L. F. Harmonically mode-locked fiber ring laser with an internal Fabry-Perot stabilizer for soliton transmission. Optics Letters. 18 (2), 107 (1993).
- Gee, S., Quinlan, F., Ozharar, S., Delfyett, P. J. Simultaneous optical comb frequency stabilization and super-mode noise suppression of harmonically mode-locked semiconductor ring laser using an intracavity etalon. IEEE Photonics Technology Letters. 17 (1), 199-201 (2005).
- Babazadeh, A., et al. High-Dimensional Single-Photon Quantum Gates: Concepts and Experiments. Physical Review Letters. 119 (18), 1-6 (2017).
