Configuración esquemática del sistema experimental para generar y caracterizar el estado cuántico multifotónico con una guía de ondas nanofotónica de silicio. Se utilizó como luz de bombeo un láser de fibra dopada con erbio de pulsos con una frecuencia de repetición de 100 MHz. Después de un VOA y un prefiltro con un ancho de banda de 100 GHz, la luz de la bomba se introdujo en un bucle de Sagnac para generar el estado cuántico de codificación de polarización. Se utilizó un postfiltro con un ancho de banda de 200 GHz para bloquear la luz de la bomba. Se utilizó un filtro DWDM para demultiplexar pares de fotones en los canales de frecuencia correspondientes, y se utilizó una arquitectura normal para tomografía de estado de polarización para determinar la calidad de los estados entrelazados. Atenuador óptico variable VOA, Placa de media onda HWP, Divisor de haz de polarización PBS, Placa de onda de cuarto QWP, Controlador de polarización de PC, Detector de fotón único de nanocables superconductores SNSPD. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0153-y
En un estudio reciente ahora publicado en Luz:ciencia y aplicaciones , Ming Zhang, Lan-Tian Feng y un equipo interdisciplinario de investigadores en los departamentos de información cuántica, física cuántica e instrumentación óptica moderna en China, detalló una nueva técnica para generar pares de fotones para su uso en dispositivos cuánticos. En el estudio, utilizaron un método conocido como mezcla de cuatro ondas para permitir que tres campos electromagnéticos interactúen y produzcan un cuarto campo. El equipo creó los estados cuánticos en una guía de ondas en espiral nanofotónica de silicio para producir brillantes, ajustable, Estados cuánticos multifotónicos estables y escalables. La tecnología es comparable con los procesos de fabricación de circuitos integrados y de fibra existentes para allanar el camino para diseñar una gama de tecnologías cuánticas fotónicas de nueva generación para aplicaciones en la comunicación cuántica. computación e imágenes. Las fuentes cuánticas multifotónicas detalladas en el trabajo desempeñarán un papel fundamental para mejorar la comprensión existente de la información cuántica.
Los científicos generaron estados cuánticos multifotónicos utilizando una guía de ondas nanofotónica de silicio único y detectaron estados de cuatro fotones con una baja potencia de bombeo de 600 µW para lograr una interferencia cuántica multifotónica experimental verificada con tomografía de estado cuántico. Zhang y Feng et al. registró las visibilidades de interferencia cuántica a un valor superior al 95 por ciento con alta fidelidad. La fuente cuántica multifotónica es totalmente compatible con los procesos en chip de manipulación cuántica y detección cuántica para formar circuitos integrados fotónicos cuánticos (QPIC) a gran escala. El trabajo tiene un potencial significativo para la investigación cuántica multifotónica.
Las fuentes cuánticas multifotónicas son fundamentales para construir varias plataformas prácticas para la comunicación cuántica, cálculo, simulación y metrología. Los físicos han hecho grandes esfuerzos para lograr una alta calidad, estados cuánticos multifotónicos brillantes y escalables en trabajos anteriores, para activar potentes tecnologías cuánticas mediante la multiplexación de varias fuentes de bifotones para generar entrelazamientos de ocho y 10 fotones. Sin embargo, la eficacia de tales sistemas de multiplexación disminuyó con el número de fotones entrelazados. En el presente, Los circuitos integrados fotónicos cuánticos (QPCI) y la tecnología de silicio sobre aislante (SOI) siguen siendo prometedoras para realizar fuentes de pares de fotones de alta calidad.
Diagrama esquemático del sistema experimental para generar y caracterizar los estados cuánticos multifotónicos con una guía de ondas nanofotónica de silicio. La configuración experimental contiene un (1) modulador láser de bomba, (2) la fuente de fotones y (3) el analizador de estado. Los científicos utilizaron el HWP combinado (placas de media onda, rojo) y QWP (placas de cuarto de onda, azul) insertado entre el PBS (divisor de haz de polarización, verde) y el chip para controlar la polarización óptica y maximizar la eficiencia de acoplamiento de un par de fotones. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0153-y
El silicio tiene varias ventajas como sustrato para implementar QPIC, que incluyen no linealidad óptica de tercer orden del material y contraste de índice de refracción ultra alto para aplicaciones como guías de ondas nanofotónicas SOI. El silicio también es compatible con los procesos complementarios de semiconductores de óxido de metal (CMOS), lo que resulta atractivo para la integración fotónica a gran escala. Si bien estas ventajas han permitido a los físicos realizar experimentalmente fuentes cuánticas de bifotones, Los estados cuánticos multifotónicos en el silicio aún quedan por generar e informar.
En el presente trabajo, Zhang y col. generó polarización de cuatro fotones que codificaba estados cuánticos utilizando una mezcla de cuatro ondas espontánea degenerada (SFWM) en una guía de ondas en espiral de silicio. Los científicos demostraron por primera vez los estados cuánticos de entrelazamiento de Bell de bifotones con alto brillo (270 kHz) y una alta relación de coincidencia a accidental (CAR, aproximadamente 230) a una potencia de bomba baja (120 µW). Después de eso, utilizando los dos estados entrelazados de Bell bifotón, Zhang et al generaron el estado cuántico de cuatro fotones (con una potencia de bombeo tan baja como 600 µW). Los científicos proyectaron este estado de producto cuántico para formar un estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHz) (es decir, un estado en la teoría de la información cuántica con al menos tres subsistemas o partículas) con un 50 por ciento de probabilidad para su uso posterior en aplicaciones de información cuántica.
Experimente los resultados de las coincidencias de dos fotones entre diferentes combinaciones de los cinco pares seleccionados de canales inactivos de señal. Aquí, la potencia de la bomba inyectada al bucle Sagnac es de 120 μW. Se midieron las coincidencias de dos fotones para los cinco pares seleccionados de canales inactivos de señal. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0153-y
Zhang y col. construyó la configuración experimental en tres partes para contener el (1) modulador de bomba-láser, (2) la fuente de fotones y (3) el analizador de estado. En el modulador de bomba-láser, introdujeron un láser de fibra dopada con erbio de pulso polarizado linealmente como fuente de bomba con una frecuencia de repetición de 100 MHz y un tiempo de duración de pulso de 90 femtosegundos (fs). Los científicos coordinaron la luz de la bomba para que pasara a través de un prefiltro de ancho de banda de 100 GHz, seguido de un controlador de polarización (PC) y un circulador óptico para finalmente acoplarse a la fuente de fotones. Calcularon el tiempo de coherencia de la luz láser de pulso en 20 picosegundos (ps) después de pasar por el prefiltro de ancho de banda de 100 GHz y la pérdida de propagación en la guía de ondas en espiral de silicio fue de aproximadamente 1 dB / cm.
En comparación con los estados cuánticos multifotónicos propuestos con los procesos anteriores de mezcla espontánea de cuatro ondas (SFWM), el presente trabajo utilizó una fuente de nanocables de silicio con una dispersión de banda ancha cercana a cero. La configuración experimental con el nanoalambre de silicio no demostró ruido de dispersión Raman, lo que, por lo tanto, mejoró enormemente el número de pares de fotones generados. A diferencia de los microrresonadores, Zhang y col. no necesitó ajustar la longitud de onda de operación en la configuración experimental, ya que en su lugar utilizaron guías de onda en espiral de silicio. Los científicos utilizaron acopladores de rejilla para acoplar la luz de la bomba y acoplar los pares de fotones generados en la configuración. Como parte de la fuente de fotones, Zhang y col. utilizó una configuración con un interferómetro de Sagnac, un esquema popular y autoestabilizado para generar estados de polarización entrelazada.
El interferómetro experimental de Sagnac contenía dos placas de media onda (HWP), dos placas de cuarto de onda (QWP), un divisor de haz de polarización (PBS) y la guía de ondas en espiral de silicio con una longitud aproximada de 1 cm para formar una estructura simple y una huella compacta (170 x 170 µm 2 ). Los científicos utilizaron el HWP y QWP combinados insertados entre el PBS y el chip para controlar la polarización óptica y maximizar la eficiencia de acoplamiento de un par de fotones. En el experimento, los pares de fotones generados en el chip (fotones inactivos y de señal) podrían superponerse en ambas direcciones (en sentido horario y antihorario) para la salida del bucle de Sagnac. En este punto, Los científicos utilizaron un filtro denso de multiplexación por división de longitud de onda (DWDM) (técnica de transmisión de fibra óptica) para separar la señal y los fotones inactivos. o demultiplexarlos. Por lo tanto, pudieron seleccionar libremente los pares de fotones de cualquier canal de frecuencia combinado mediante la desafinación de frecuencia. Los científicos notaron que después de pasar por los filtros DWDM, la polarización y los estados cuánticos de los pares de fotones no cambiaron.
Caracterización de estados entrelazados por polarización de bifotones. (a) y (b) son coincidencias dobles en función del ángulo del polarizador loco cuando el ángulo del polarizador de señal se mantuvo en 0 ° (rojo) y 45 ° (negro), respectivamente. La barra de error se obtuvo de la raíz cuadrada de los datos experimentales. (c) y (d) dan las partes real (Re) e imaginaria (Im) de la matriz de densidad ideal y la matriz de densidad medida del estado entrelazado de bifotones de los canales de frecuencia ± 5, respectivamente. La fidelidad fue de 0,95 ± 0,01, confirmando que el estado cuántico de bifotones generado era de alta calidad y muy cercano a los estados ideales de entrelazado máximo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0153-y
Zhang y col. luego caracterizó la calidad del estado de bifotón generado en el experimento. Para esto, seleccionaron cinco pares de canales de frecuencia utilizados en el estudio para generar la señal y los fotones inactivos, para probar la estabilidad del sistema. Midieron las coincidencias de dos fotones entre diferentes combinaciones de señales y canales inactivos y mostraron que la diafonía era insignificante para la mayoría de los canales de frecuencia. Después de calcular el estado de campana entrelazado por polarización máxima, confirmaron la existencia de entrelazamiento y alta fidelidad del estado bifotónico. Atribuyeron la alta relación de coincidencia a accidental (CAR) observada al ruido no lineal ultrabajo en la configuración; necesario para generar entrelazamiento multifotón para otras aplicaciones de información cuántica.
Para una caracterización completa, los científicos llevaron a cabo una tomografía de estado cuántico para reconstruir la arquitectura de matriz de densidad de estado experimental al completar múltiples mediciones del estado cuántico relevante. Los resultados confirmaron que los estados cuánticos de bifotones generados son de alta calidad para acercarse a los estados ideales entrelazados al máximo.
Caracterización de estados cuánticos de codificación de polarización de cuatro fotones. (a) y (b) son cuatro coincidencias en función de los ángulos del polarizador loco cuando los ángulos del polarizador de la señal se mantuvieron en 0 ° (rojo) y 45 ° (negro), respectivamente. La barra de error se obtuvo de la raíz cuadrada de los datos experimentales. (c) y (d) dan las partes real (Re) e imaginaria (Im) de la matriz de densidad ideal y la matriz de densidad medida de los estados cuánticos de cuatro fotones, respectivamente. La fidelidad fue de 0,78 ± 0,02, lo cual es completamente satisfactorio para un mayor procesamiento de información cuántica. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0153-y
Luego, los científicos generaron convenientemente estados entrelazados multifotónicos al multiplexar los estados de bifotones en diferentes canales de frecuencia. Obtuvieron una tasa de coincidencia cuádruple y mostraron el estado de cuatro fotones observado como el producto tensorial de dos estados de Bell entrelazados con bifotones. Los patrones de interferencia de cuatro fotones coincidieron con la predicción teórica, para desarrollarse de manera diferente a los estados entrelazados de bifotones previamente observados. Basado en los resultados de un patrón de interferencia claro y visibilidades de interferencia altas, Zhang y col. verificó la viabilidad de la técnica experimental para establecer estados cuánticos multifotónicos en chip. Como antes, los científicos obtuvieron una tomografía de estado cuántico de los estados cuánticos de cuatro fotones para reconstruir la matriz de densidad, dando resultados satisfactorios para otras aplicaciones de información cuántica.
De este modo, Los científicos demostraron experimentalmente la generación de estados cuánticos de cuatro fotones utilizando una guía de ondas en espiral nanofotónica de silicio. Zhang y col. tienen como objetivo mejorar la eficiencia de la recolección de fotones para aumentar el número de fotones entrelazados en el sistema en el futuro. La fuente de estado cuántico multifotón desarrollada en el estudio es compatible con las arquitecturas contemporáneas a escala de fibra y chip para la producción a gran escala. Zhang y col. por lo tanto, proponen la integración de las características atractivas como una plataforma escalable y práctica para futuras aplicaciones de procesamiento cuántico.
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