Un diagrama esquemático de un circuito cuántico compacto miniaturizado con manipulación activa y precisa en guías de ondas LiNbO3. (A) Efecto de agrupamiento HOM de fotones indistinguibles en un divisor de haz (BS). (B) Esquemas de un experimento HOM típico que utiliza componentes ópticos a granel. Todas las funcionalidades del cuadro amarillo están integradas en el chip. (C) Esquema del chip óptico cuántico integrado con fuente PDC (conversión descendente paramétrica) integrada monolíticamente, convertidores de polarización electroóptica (PC), divisor de haz de polarización (PBS), y divisor de haz (BS). Las líneas grises denotan las guías de ondas indifundidas con Ti. En la sección PDC con polos periódicos, Se generan pares de fotones polarizados ortogonalmente (H y V). En la siguiente PC0, la conversión completa cambia el estado de polarización de ambos fotones de horizontal (H) a vertical (V) y viceversa mediante la aplicación de los voltajes de control U0. Estos fotones están separados espacialmente por el PBS. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
Los físicos imaginan que el futuro de las redes de computación cuántica contendrá escalables, circuitos monolíticos, que incluyen funcionalidades avanzadas en un solo sustrato físico. Si bien ya se ha logrado un progreso sustancial para una variedad de aplicaciones en diferentes plataformas, la gama de diversos estados fotónicos que se pueden manipular bajo demanda en un solo chip sigue siendo limitada. Esto se observa específicamente para la gestión dinámica del tiempo en dispositivos cuánticos.
En un estudio reciente, ahora publicado en Avances de la ciencia , Kai-Hong Luo y sus compañeros de trabajo demuestran un dispositivo electroóptico, que incluía funcionalidades dinámicas de generación de pares de fotones, propagación y enrutamiento de ruta electroóptica. El dispositivo contenía un retardo de tiempo controlable por voltaje de hasta 12 picosegundos en un solo Ti:LiNbO 3 (niobato de litio indifundido de titanio) chip de guía de ondas.
Como prueba de principio, los físicos del departamento interdisciplinario de física, la optoelectrónica y la fotónica demostraron la interferencia de Hong-Ou-Mandel con una visibilidad de más del 93 ± 1,8 por ciento. El chip desarrollado por Luo et al. en el estudio permitió la manipulación deliberada de estados fotónicos mediante la rotación de la polarización. Los experimentos revelaron que los físicos podían ejercer plenamente, control flexible en operaciones de un solo qubit al aprovechar todo el potencial de la modulación electroóptica rápida en el chip.
En la última decada, Se ha utilizado una gama de materiales para desarrollar circuitos ópticos para puertas cuánticas, interferencia cuántica, metrología cuántica, muestreo de bosones y paseos cuánticos. Estos circuitos se desarrollaron en materiales que incluyen vidrio, Nitrido de silicona, silicio sobre aislante y sílice sobre silicio. En comparación, el desarrollo de dispositivos fotónicos integrados basados en no linealidades de segundo orden se ha mantenido lento, a pesar de la eficiencia de explotar el X (2) no linealidades. Incluso con el éxito de los acopladores sintonizables y los desfasadores controlados por voltaje, Queda por aprovechar todo el potencial del enrutamiento electroóptico activo rápido y la rotación de fotones polarizados en circuitos cuánticos.
Ilustración esquemática del efecto de agrupamiento HOM de fotones indistinguibles en un divisor de haz. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
El objetivo de Luo et al. fue demostrar la manipulación deliberada de los estados fotónicos a través de una polarización precisa y la regulación del tiempo en un solo dispositivo de circuito cuántico. Para esto, se centraron en las interferencias de Hong-Ou-Mandel (HOM), entre los experimentos no clásicos más fundamentales en óptica cuántica. HOM está en el corazón de muchas operaciones de lógica cuántica, como el muestreo de bosones, Medición de estado de campana para repetidores cuánticos y Knill, Protocolo de Laflamme y Milburn para computación cuántica. Sin embargo, aún no se ha producido un enfoque práctico en un chip integrado que contenga todas las funcionalidades, y con la capacidad de manipular estados cuánticos bajo demanda en el experimento HOM completo.
En el presente estudio, Luo y col. ofreció un diseño de circuito electro-óptico integrado que podía realizar múltiples operaciones en un solo Ti:LiNbO 3 chip de guía de ondas. Las operaciones integradas incluyeron:
Para todas las operaciones de lógica cuántica, La sincronización temporal de un estado manipulado es una demanda fundamental. Como resultado, Los retardos de tiempo en chip rápidos y electroópticamente controlables son inclusiones cruciales para todas las aplicaciones cuánticas.
Panel superior:Ilustración esquemática del chip óptico cuántico integrado con inclusiones monolíticas de una fuente de PDC (20,7 mm), PC electroópticos (7,62 mm), PBS, resaltado en verde (4,0 mm), BS resaltado en azul, y un solo elemento de los convertidores segmentados (PC1 a PC10; 2,54 mm cada uno). Panel inferior:Caracterización clásica del circuito integrado. A) Potencia normalizada de la onda del segundo armónico (SH) generada en la sección PDC con un período de poling de ΔPDC =9.04 µm en función de la longitud de onda fundamental, que proviene de un láser de telecomunicaciones sintonizable con ancho de banda estrecho. (B) Características de transmisión espectral de PC0 y las diversas combinaciones triples de la PC segmentada (con un período de poling de ΔPC =21,4 µm). Los científicos obtuvieron las curvas lanzando luz incoherente de banda ancha en el rango de las telecomunicaciones y midiendo la potencia no convertida detrás de un polarizador. Las curvas se normalizan a un espectro de transmisión de referencia obtenido sin conversión. (C) Dependencia de la temperatura de los dos procesos de adaptación de fases (PDC y PC). El cruce de las dos curvas determina el punto de operación óptimo, que está a T =43,6 ° C y λ =1551,7 nm. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
El efecto HOM se puede producir experimentalmente mediante un divisor de haz (BS). Durante el efecto, dos fotones idénticos que entran en un divisor de haz desde puertos de entrada opuestos se agrupan y salen por el mismo puerto de salida. Para demostrar este efecto cuántico en un experimento óptico HOM, los físicos generaron pares de fotones (señal y fotones inactivos), y luego los separó espacialmente con un divisor de haz de polarización (PBS). Después de la rotación de polarización e introducir un retardo de tiempo variable entre los fotones, fueron recombinados en un divisor de haz simétrico (BS) donde tuvo lugar la interferencia cuántica. Para la fabricación de circuitos monolíticos, los físicos utilizaron el Ti:LiNbO 3 plataforma, que explotó el fuerte X (2) no linealidad durante la generación de pares de fotones y manipulación electroóptica de los qubits.
Luo y col. luego introdujo el concepto de retardo electroóptico birrefringente (BED) para superar un retardo birrefringente intrínseco (doble refracción de la luz) en el medio no lineal. El método aprovechó la conversión de polarización electroóptica y la birrefringencia del propio material para permitir una regulación precisa del tiempo en el chip.
El complejo diseño del circuito contenía varios componentes diferentes que ya estaban optimizados como dispositivos individuales, los científicos fabricaron las guías de ondas por indifusión de Ti para guiado monomodo en ambas polarizaciones. En tono rimbombante, en el dispositivo electroóptico monolítico en chip, el retardo relativo entre la señal y los fotones inactivos requería un ajuste a través del controlador de polarización segmentado. Otro criterio importante fue la longitud de todo el dispositivo, que tenía que ser lo más corto posible para fabricar estructuras homogéneas.
Ilustración del principio de la línea BED ajustable. (A) El diagrama muestra el diseño del chip junto con algunos recuadros que ilustran la relación temporal de los paquetes de ondas de fotones polarizados horizontalmente (rojo) y verticalmente (azul) en diferentes posiciones de la estructura y para varias configuraciones de las PC. Caso I:Si PC0 está apagado, luego, la distancia temporal aumenta a lo largo de la estructura. El tiempo de retardo entre los dos fotones se puede variar, dependiendo de qué elemento del convertidor segmentado esté encendido; sin embargo, los dos fotones nunca llegarán simultáneamente a la BS (el efecto HOM no se observa experimentalmente). Caso II:Si PC0 está encendido, entonces, el fotón originalmente polarizado horizontalmente puede superar al otro fotón antes de que lleguen a la PC segmentada. Se puede lograr una llegada simultánea de los dos fotones a la BS si se direcciona cierto elemento de la PC segmentada para cumplir con el efecto HOM. (B) Retardo de tiempo calculado de los fotones en la BS en función del elemento de la PC segmentada, en el que se realiza el intercambio final de la polarización. El diagrama muestra el resultado para los dos casos de PC0 encendidos y apagados. La línea de puntos indica la sincronización de tiempo entre los dos fotones polarizados. Los parámetros utilizados para los cálculos se adaptan a la geometría del dispositivo fabricado:longitudes de la sección PDC (20,7 mm), PC0 (7,62 mm), la sección PBS (4,0 mm), y un solo elemento de los convertidores segmentados (2,54 mm). Una diferencia de índice de grupo Δng =0.0805 se deriva de las ecuaciones de Sellmeier de LiNbO3 (λ =1551.7 nm). Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
Los científicos generaron pares de fotones en la sección de conversión descendente paramétrica (PDC) (un proceso óptico instantáneo no lineal que convirtió un fotón de mayor energía en un par de fotones), que contenía la guía de ondas monomodo de Ti indifundida. Para el chip HOM era esencial que los pares de fotones generados estuvieran degenerados. El punto de degeneración se puede ajustar variando la temperatura, con una pendiente de sintonización aproximada a - 0,15 nm / 0 C. El dispositivo contenía un acoplador direccional diseñado específicamente para actuar como un divisor de haz de polarización (PBS) para separar espacialmente los fotones polarizados ortogonalmente.
Los elementos clave del sistema BED desarrollado por Luo et al. Incluye convertidores de polarización electroóptica (PC). Estos convertidores contenían una guía de ondas polarizada periódicamente, con electrodos en cada lado. En el diseño de circuito ilustrado del chip óptico cuántico integrado, los físicos colocaron la primera PC (PC 0 ) directamente detrás de la sección PDC. Esto fue seguido por una PC segmentada 10 (ORDENADOR PERSONAL 1 a la PC 10 ; que contiene 10 elementos electro-ópticos) en una rama, después de la región del divisor de haz de polarización (PBS). El divisor de haz (BS), contenía dos guías de ondas separadas por un espacio de 6 µm de ancho.
Configuración experimental y resultados cuánticos. (A) Configuración experimental para la caracterización cuántica del chip HOM activo. Un láser de bomba de onda continua de banda estrecha sintonizable de alrededor de 776 nm se acopla al canal con la fuente de PDC. Para evitar la generación de pares de fotones de orden superior, la potencia de la bomba se mantiene en el rango de 100 µW. Un controlador de temperatura controla y estabiliza la distribución de temperatura de la muestra previamente determinada. Los dos puertos de salida del chip están acoplados directamente en un par de fibras monomodo a través de aisladores de fibra óptica para suprimir la luz residual de la bomba y un filtro de paso de banda de 1,2 nm para suprimir los fotones de fondo. los fotones transmitidos se detectan con detectores de nanocables superconductores (SNSPD) y convertidor de tiempo a digital (TDC). B) Resultados experimentales y simulados de la tasa de coincidencia normalizada en función de cuál es el triple del PC segmentado. Los datos y la curva azules son para PC0 desactivado, mientras que los datos rojos y la curva son para PC0 activado. En el experimento, solo se pudieron abordar siete triples de la PC segmentada porque el electrodo de PC10 estaba roto. Por lo tanto, solo fueron posibles 14 retrasos diferentes. (C) Perfiles experimentales y simulados de la caída del HOM derivados de los resultados de coincidencia mostrados en (B) y el correspondiente retardo de tiempo calculado. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
Los científicos ilustraron el principio de funcionamiento del sistema BED ajustable para mostrar cómo la diferencia del índice de grupo calculado ∆n gramo provocó una separación temporal entre un par de fotones. Dependiendo del estado de apagado / encendido de la PC 0 , los estados de polarización (horizontal o vertical) del par de fotones permanecen sin cambios o se intercambian para separarse espacialmente en el PBS para demostrar el efecto HOM.
Cuando PC 0 estaba encendido, polarizaciones del par de fotones intercambiados para llegar simultáneamente a la PC segmentada (con 10 segmentos electroópticos:PC 1 a la PC 10 ). Los científicos demostraron cómo se podía lograr experimentalmente la llegada simultánea de dos fotones al divisor de haz (BS). Luo y col. también mostró que el retardo de tiempo relativo entre los dos fotones en los puertos de entrada del divisor de haz se podía ajustar con precisión entre ~ 1,3 ps a más de 12 ps para la gestión dinámica del tiempo en el dispositivo.
Los científicos implementaron la configuración de medición propuesta de todo el experimento cuántico en el laboratorio al incluir una bomba externa, filtros de fibra y unidades de detección. Para confirmar que la interferencia de dos fotones del estudio está en el régimen cuántico para dos fotones perfectamente idénticos, las tasas de recuento de coincidencias (utilizadas para probar el entrelazamiento cuántico) entre las dos salidas de guía de ondas detectadas deberían caer a cero. Adicionalmente, para probar la interferencia cuántica, la caída (caída) de las coincidencias debería tener una visibilidad más allá del valor clásicamente esperado del 50 por ciento. Luo y col. calculó la visibilidad de la interferencia HOM en 93.5 ± 1.8 por ciento, un valor significativamente superior al límite clásico, verificar la naturaleza cuántica de la interferencia de dos fotones en el chip.
De este modo, los físicos demostraron ampliamente un circuito electroóptico cuántico que podría manipular activamente los estados de los fotones para una gestión del tiempo ajustable dentro de un dispositivo integrado monolíticamente. Utilizaron un chip HOM de dos fotones con una fuente de pares de fotones para la manipulación activa de la polarización. El trabajo crea un nuevo enfoque para los circuitos electroópticos integrados y abre una puerta para aprovechar el tremendo potencial de la manipulación de qubit en Ti:LiNbO 3, para aplicaciones cuánticas. El dispositivo allana el camino hacia futuras operaciones de lógica cuántica, procesamiento ultrarrápido y de hiperentanglement visto con fibra óptica, sin embargo, rara vez se utiliza en óptica cuántica.
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