Descripción general del dispositivo. (A) Esquema del dispositivo microring que muestra el resonador, canal lateral, microcalentador (azul), y modos de dispersión. (B) Imagen de microscopio óptico del dispositivo. (C) Ilustración del proceso SFWM intraresonador, mostrando cambios de frecuencia ΔSPM y ΔXPM asociados con la modulación de fase propia y de fase cruzada (SPM y XPM, respectivamente). (D) Espectro de transmisión representativo del dispositivo microring, mostrando tres resonancias sobreacopladas cerca de 1550 nm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
Los científicos pueden generar luz comprimida a través de una mezcla espontánea de cuatro ondas fuertemente impulsada por debajo del umbral en resonadores microring de nitruro de silicio. La luz generada se puede caracterizar con detección homodina (para extraer información codificada en fase o frecuencia) y mediante mediciones directas de estadísticas de fotones. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , ENFERMEDAD VENÉREA. Vaidya, y un equipo de científicos de Canadá y EE. UU. midieron el vacío comprimido en cuadratura y la diferencia en el número de fotones generada dentro de un dispositivo nanofotónico integrado. Los resultados impactarán las aplicaciones en tecnología cuántica.
El concepto de luz exprimida es relevante en el procesamiento óptico cuántico, donde las arquitecturas asociadas de fotónica variable continua exigen alta calidad, Dispositivos escalables para generar luz comprimida para muchas aplicaciones de procesamiento de información cuántica fotónica fundamentales. Los ejemplos incluyen el cálculo cuántico de variable continua (CV) y el muestreo de bosones gaussianos, que es una vía prometedora para lograr una ventaja cuántica casi térmica y dar cabida a una gama de conceptos intrigantes, incluyendo simulaciones de espectro vibrónico molecular, isomorfismo gráfico, coincidencias perfectas y similitud gráfica.
Luz comprimida para procesamiento óptico cuántico
La mayoría de estas aplicaciones cuánticas requieren una fuente escalable de luz comprimida para implementar y mejorar la detección óptica cerca del límite cuántico. La fotónica integrada es una plataforma natural para explorar estas fuentes de luz comprimidas escalables, donde la estabilidad y la capacidad de fabricación de alto rendimiento que ofrecen los métodos litográficos modernos (patrones) presentan vías prometedoras para realizar tecnologías cuánticas útiles a escala. Sin embargo, el progreso hasta la fecha en la compresión integrada de chips es limitado. En el presente estudio, por lo tanto, Vaidya y col. utilizó la mezcla espontánea de cuatro ondas (SWFM) en resonadores de microesferas de nitruro de silicio para proporcionar una tecnología madura y fácilmente accesible en plataformas de fabricación comerciales.
Exprimiendo en cuadratura. (A) Descripción general de la configuración experimental. Detalles en el texto principal y los materiales complementarios. WDM, componentes de multiplexación por división de longitud de onda. LO, oscilador local; EDFA, amplificador de fibra dopada con erbio; PLL, bucle de fase bloqueada; VOA, atenuador óptico variable; ORDENADOR PERSONAL, controlador de polarización; PID, proporcional-integral-derivada. (B) Varianza en cuadratura (línea negra) relativa al ruido de disparo (línea gris) en función del tiempo, mientras que la fase del oscilador local aumenta, exhibiendo 1.0 (1) dB de compresión. Las trazas se obtienen de las fluctuaciones de fotocorriente del detector homodino monitoreadas en un analizador de espectro eléctrico en modo de intervalo cero a una frecuencia de banda lateral de 20 MHz, con un ancho de banda de resolución de 1 MHz y un ancho de banda de video de 300 Hz. (C) Variaciones de cuadratura máxima y mínima en función de la potencia de la bomba para la banda lateral de 20 MHz, mostrando la escala de potencia de las cuadraturas comprimidas y antiaprimidas. Las líneas punteadas superior e inferior se obtienen ajustando la ecuación derivada del estudio; se muestra el nivel de ruido de disparo (línea discontinua a 0 db). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
El dispositivo experimental en sí tenía dimensiones simples, donde tanto la compresión de la diferencia en cuadratura como en el número de fotones podrían generarse en nitruro de silicio (Si 3 norte 4 ) resonadores microring, punto acoplado a guías de ondas de canal. La configuración también incluyó microcalentadores superpuestos para la sintonización y estabilización de la longitud de onda de resonancia. Los científicos utilizaron una fundición comercial para la fabricación donde la guía de ondas contenía nitruro de silicio totalmente revestido de dióxido de silicio (SiO 2 ). El equipo utilizó SWFM para generar compresión y formar un par de fotones inactivos y de señal. La configuración experimental permitió una compresión significativa en cuadratura a niveles modestos de potencia de entrada. El equipo midió las estadísticas de cuadratura y número de fotones del dispositivo y comparó los resultados con predicciones teóricas.
Exprimiendo en cuadratura - el experimento
El equipo caracterizó el estado cuántico de la salida del resonador como un estado de vacío comprimido de dos modos sujeto a pérdida, donde la pérdida surgió de la eficiencia de escape imperfecta de la cavidad y pérdidas aguas abajo en el punto de acoplamiento del chip. Los científicos entendieron este estado como un producto de dos estados comprimidos de modo único:cada uno con un soporte de frecuencia tanto en la señal como en las resonancias inactivas. Vaidya y col. midió las varianzas en cuadratura de los modos de interés usando detección homodina balanceada, un método que permitió la extracción de información codificada como la fase o frecuencia de una señal oscilante.
Espectro de frecuencias exprimido y anti exprimido de 20 MHz a 1 GHz a diferentes niveles de potencia de la bomba. Las potencias enumeradas son valores inferidos en el chip en la guía de ondas de entrada. La línea discontinua es el nivel de ruido del disparo; las líneas continuas exhiben ajustes al modelo teórico, mostrando un fuerte acuerdo con los datos medidos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
Exprimiendo la diferencia del número de fotones. (A) Descripción general de la configuración experimental. Detalles en el texto principal y los materiales complementarios. (B) Varianza de la diferencia del número de fotones medidos VΔn en función del número medio de fotones ntot, obtenido variando la potencia de la bomba, para estados coherentes (gris) y estados comprimidos (negro) con ajustes lineales (líneas continuas). La pendiente reducida para el estado comprimido representa la compresión por diferencia de número de fotones. Recuadro:Relación entre la varianza de la diferencia numérica y el número medio de fotones en función del número medio de fotones para estados coherentes (gris) y estados comprimidos (negro). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
Durante el experimento, el equipo acopló una bomba de onda continua en el chip para extraer la luz a través de acopladores de borde de baja pérdida. La bomba excitó una sola resonancia del microring en el chip para generar luz a través de múltiples pares de señales y tensores. El equipo seleccionó un par de modos de señal y de inactividad con filtros de longitud de onda fuera del chip para su análisis. Luego, produjeron un oscilador local bicromático y lo combinaron con la señal y la luz inactiva en un divisor de haz de fibra sintonizable. Basado en los resultados, los científicos estimaron que hay alrededor de 4 dB de compresión disponibles en la salida de monitoreo en el chip, y obtuvo compresión de banda ancha, limitado por anchos de línea de resonancia. Sin embargo, Aparte de las pérdidas y limitaciones de la potencia de la bomba, la presencia de ruido es demasiado limitada por la compresión de la luz. Para evitar que la luz corrupta apriete los dispositivos, por lo tanto, el equipo evaluó la presencia de exceso de ruido en el sistema, dentro de la banda de compresión y propuso pasos de optimización adicionales para mejorar la precisión y evaluar mejor el efecto.
Correlaciones de números de fotones
Aunque las mediciones homodinas evaluaron con precisión la compresión en cuadratura, el equipo también verificó la compatibilidad de una fuente de luz comprimida con el conteo de fotones. Los científicos realizaron una detección de resolución de números en la salida del dispositivo, para este experimento, utilizaron un resonador microring con una sección transversal más ancha. Vaidya y col. luego separó la señal y el intermediario generados en la configuración y los filtró a través de componentes de multiplexación por división de longitud de onda. Luego acoplaron la salida a sensores de borde de transición (TES) superconductores de resolución de número de fotones para proporcionar una resolución de número de fotones de aproximadamente 10 fotones por canal. Los científicos registraron una característica notable en el trabajo, donde detectaron una alta tasa de eventos multifotónicos correlacionados. Los resultados mostraron la generación de 'estados de muchos fotones' en una plataforma nanofotónica a tasas mucho más altas para motivar el desarrollo de aplicaciones que exigen fuentes de luz comprimidas.
De este modo, V. D. Vaidya y sus colegas generaron estados comprimidos temporales casi únicos sin efectos especiales de ingeniería debido a la naturaleza resonante de la configuración. Las pérdidas fueron el principal factor limitante del rendimiento, que se puede mejorar para obtener factores de calidad de resonador más altos para obtener mejores efectos de compresión de la luz. El equipo propone mejorar la relación señal-ruido para mejorar la eficiencia de generación al reducir la cantidad de energía requerida para funcionar al nivel deseado de compresión. Esto también reducirá la cantidad de fotones generados debido a la dispersión Raman espontánea en los componentes de fibra que constituyen el dispositivo. Se debe tener cuidado durante la supresión de ruido para evitar suprimir el esquema experimental. El equipo, naturalmente, formará los próximos pasos para diseñar fuentes de luz comprimidas integradas en chips.
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