Un diagramma schematico di un circuito quantistico compatto miniaturizzato con manipolazione attiva e accurata nelle guide d'onda LiNbO3. (A) Effetto di raggruppamento HOM di fotoni indistinguibili in un divisore di fascio (BS). (B) Schemi di un tipico esperimento HOM che utilizza componenti ottici sfusi. Tutte le funzionalità del riquadro giallo sono integrate nel chip. (C) Schema del chip ottico quantistico integrato con sorgente PDC (conversione parametrica verso il basso) integrata monoliticamente, convertitori di polarizzazione elettro-ottici (PC), divisore del fascio di polarizzazione (PBS), e divisore di raggio (BS). Le linee grigie indicano le guide d'onda diffuse da Ti. Nella sezione PDC periodicamente polarizzata, vengono generate coppie di fotoni polarizzati ortogonalmente (H e V). Nel successivo PC0, la conversione completa cambia lo stato di polarizzazione di entrambi i fotoni da orizzontale (H) a verticale (V) e viceversa applicando le tensioni di controllo U0. Questi fotoni sono spazialmente separati dal PBS. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat1451
I fisici prevedono che il futuro delle reti di calcolo quantistico conterrà scalabili, circuiti monolitici, che includono funzionalità avanzate su un singolo substrato fisico. Sebbene siano già stati compiuti progressi sostanziali per una varietà di applicazioni su piattaforme diverse, la gamma di diversi stati fotonici che possono essere manipolati su richiesta su un singolo chip rimane limitata. Questo è stato osservato specificamente per la gestione dinamica del tempo nei dispositivi quantistici.
In un recente studio, ora pubblicato in Progressi scientifici , Kai-Hong Luo e collaboratori mostrano un dispositivo elettro-ottico, che includeva funzionalità dinamiche di generazione di coppie di fotoni, propagazione e routing del percorso elettro-ottico. Il dispositivo conteneva un ritardo di tempo controllabile in tensione approssimativo fino a 12 picosecondi su un singolo Ti:LiNbO 3 (titanio indiffuso litio niobato) chip guida d'onda.
Come prova di principio, i fisici del dipartimento interdisciplinare di fisica, l'optoelettronica e la fotonica hanno dimostrato l'interferenza di Hong-Ou-Mandel con una visibilità superiore al 93 ± 1,8 percento. Il chip sviluppato da Luo et al. nello studio ha permesso la manipolazione deliberata degli stati fotonici ruotando la polarizzazione. Gli esperimenti hanno rivelato che i fisici potevano esercitare pieno, controllo flessibile sulle operazioni a qubit singolo sfruttando il potenziale completo della modulazione elettro-ottica veloce su chip.
Nell'ultimo decennio, una gamma di materiali è stata utilizzata per sviluppare circuiti ottici per porte quantistiche, interferenza quantistica, metrologia quantistica, campionamento bosonico e passeggiate quantistiche. Questi circuiti sono stati sviluppati su materiali tra cui vetro, nitruro di silicio, silicio su isolante e silice su silicio. In confronto, lo sviluppo di dispositivi fotonici integrati basati su non linearità del secondo ordine è rimasto lento, nonostante l'efficienza dello sfruttamento di X (2) non linearità. Anche con il successo degli accoppiatori sintonizzabili e degli sfasatori controllati in tensione, tutto il potenziale dell'instradamento elettro-ottico attivo veloce e della rotazione dei fotoni polarizzati nei circuiti quantistici resta da sfruttare.
Illustrazione schematica dell'effetto di raggruppamento HOM di fotoni indistinguibili in un Beam Splitter. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Lo scopo di Luo et al. era dimostrare la manipolazione deliberata degli stati fotonici tramite polarizzazione precisa e regolazione del tempo su un singolo dispositivo a circuito quantistico. Per questo, si sono concentrati sulle interferenze di Hong-Ou-Mandel (HOM), tra i più fondamentali esperimenti non classici di ottica quantistica. HOM è al centro di molte operazioni di logica quantistica come il campionamento dei bosoni, Misurazione dello stato di Bell per ripetitori quantistici e Knill, Protocollo Laflamme e Milburn per il calcolo quantistico. Tuttavia, non è stato ancora prodotto un approccio pratico su un chip integrato per contenere tutte le funzionalità, e con la capacità di manipolare gli stati quantistici su richiesta nell'esperimento HOM completo.
In questo studio, Luo et al. offriva un progetto di circuito elettro-ottico integrato in grado di realizzare più operazioni su un singolo Ti:LiNbO 3 chip guida d'onda. Le operazioni integrate comprendevano:
Per tutte le operazioni di logica quantistica, la sincronizzazione temporale di uno stato manipolato è una richiesta fondamentale. Di conseguenza, i ritardi temporali on-chip veloci e controllabili elettro-otticamente sono inclusioni cruciali per tutte le applicazioni quantistiche.
Pannello superiore:illustrazione schematica del chip ottico quantistico integrato con inclusioni monolitiche di una sorgente PDC (20,7 mm), PC elettro-ottici (7,62 mm), PBS, evidenziato in verde (4,0 mm), BS evidenziato in blu, e un singolo elemento dei convertitori segmentati (da PC1 a PC10; 2,54 mm ciascuno). Pannello inferiore:Caratterizzazione classica del circuito integrato. A) Potenza normalizzata dell'onda di seconda armonica (SH) generata nella sezione PDC con un periodo di polarizzazione di ΔPDC =9,04 µm in funzione della lunghezza d'onda fondamentale, che proviene da un laser per telecomunicazioni sintonizzabile con larghezza di banda stretta. (B) Caratteristiche di trasmissione spettrale di PC0 e le varie combinazioni triple del PC segmentato (con un periodo di polarizzazione di ΔPC =21,4 µm). Gli scienziati hanno ottenuto le curve lanciando luce incoerente a banda larga nella gamma delle telecomunicazioni e misurando la potenza non convertita dietro un polarizzatore. Le curve sono normalizzate ad uno spettro di trasmissione di riferimento ottenuto senza conversione. (C) Dipendenza dalla temperatura dei due processi di adattamento di fase (PDC e PC). L'incrocio delle due curve determina il punto di lavoro ottimale, che è a T =43,6°C e =1551,7 nm. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat1451
L'effetto HOM può essere prodotto sperimentalmente da un divisore di fascio (BS). Durante l'effetto, due fotoni identici che entrano in un divisore di fascio da porte di ingresso opposte si raggruppano ed escono dalla stessa porta di uscita. Per dimostrare questo effetto quantistico in un esperimento ottico HOM, i fisici hanno generato coppie di fotoni (fotoni di segnale e fotoni di rinvio), e quindi separati spazialmente con un divisore di fascio di polarizzazione (PBS). Dopo la rotazione di polarizzazione e l'introduzione di un ritardo di tempo variabile tra i fotoni, sono stati ricombinati in un divisore di fascio simmetrico (BS) dove ha avuto luogo l'interferenza quantistica. Per la fabbricazione di circuiti monolitici, i fisici hanno usato il Ti:LiNbO 3 piattaforma, che ha sfruttato la forte X (2) non linearità durante la generazione di coppie di fotoni e manipolazione elettro-ottica dei qubit.
Luo et al. ha poi introdotto il concetto di ritardo elettro-ottico birifrangente (BED) per superare un ritardo birifrangente intrinseco (doppia rifrazione della luce) nel mezzo non lineare. Il metodo ha sfruttato la conversione della polarizzazione elettro-ottica e la birifrangenza del materiale stesso per consentire un'accurata regolazione del tempo sul chip.
Il complesso design del circuito conteneva diversi componenti che erano già ottimizzati come dispositivi individuali, gli scienziati hanno fabbricato le guide d'onda mediante l'indiffusione di Ti per la guida monomodale in entrambe le polarizzazioni. È importante sottolineare che nel dispositivo elettro-ottico on-chip monolitico, il ritardo relativo tra il segnale ei fotoni idler ha richiesto una regolazione tramite il controller di polarizzazione segmentato. Un altro criterio importante era la lunghezza dell'intero dispositivo, che doveva essere mantenuto il più corto possibile per fabbricare strutture omogenee.
Illustrazione del principio della linea LETTO regolabile. (A) Il diagramma mostra il design del chip insieme ad alcuni riquadri che illustrano la relazione temporale dei pacchetti di onde di fotoni polarizzati orizzontalmente (rosso) e verticalmente (blu) in diverse posizioni della struttura e per varie configurazioni dei PC. Caso I:Se PC0 è spento, quindi il walk-off temporale aumenta lungo la struttura. Il ritardo tra i due fotoni può essere variato, a seconda di quale elemento del convertitore segmentato è acceso; però, i due fotoni non arriveranno mai contemporaneamente al BS (l'effetto HOM non è osservato sperimentalmente). Caso II:Se PC0 è acceso, quindi il fotone originariamente polarizzato orizzontalmente può superare l'altro fotone prima che arrivi al PC segmentato. Un arrivo simultaneo dei due fotoni alla BS può essere ottenuto se un certo elemento del PC segmentato è indirizzato per soddisfare l'effetto HOM. (B) Tempo di ritardo calcolato dei fotoni al BS in funzione dell'elemento del PC segmentato, al quale avviene lo scambio finale della polarizzazione. Il diagramma mostra il risultato per i due casi di PC0 acceso e spento. La linea tratteggiata indica la sincronizzazione temporale tra i due fotoni polarizzati. I parametri utilizzati per i calcoli sono adattati alla geometria del dispositivo fabbricato:lunghezze della sezione PDC (20,7 mm), PC0 (7,62 mm), la sezione PBS (4,0 mm), e un singolo elemento dei convertitori segmentati (2,54 mm). Una differenza di indice di gruppo Δng =0,0805 è derivata dalle equazioni di Sellmeier di LiNbO3 (λ=1551,7 nm). Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Gli scienziati hanno generato coppie di fotoni nella sezione di conversione parametrica verso il basso (PDC) (un processo ottico istantaneo non lineare che ha convertito un fotone di maggiore energia in una coppia di fotoni), che conteneva la guida d'onda monomodale diffusa da Ti. Per il chip HOM era essenziale che le coppie di fotoni generate fossero degenerate. Il punto di degenerazione potrebbe essere regolato variando la temperatura, con una pendenza di sintonia che si avvicina a – 0,15 nm/ 0 C. Il dispositivo conteneva un accoppiatore direzionale appositamente progettato per agire come un divisore del fascio di polarizzazione (PBS) per separare spazialmente i fotoni polarizzati ortogonalmente.
Elementi chiave del sistema BED sviluppato da Luo et al. inclusi convertitori di polarizzazione elettro-ottici (PC). Questi convertitori contenevano una guida d'onda periodicamente polare, con elettrodi su ogni lato. Nella progettazione del circuito illustrato del chip ottico quantistico integrato, i fisici posizionarono il primo PC (PC 0 ) direttamente dietro la sezione PDC. Questo è stato seguito da un PC segmentato 10 (PC 1 al PC 10 ; contenente 10 elementi elettro-ottici) in un ramo, dopo la regione del divisore del fascio di polarizzazione (PBS). Il divisore di raggio (BS), conteneva due guide d'onda separate da un gap largo 6 µm.
Configurazione sperimentale e risultati quantistici. (A) Configurazione sperimentale per la caratterizzazione quantistica del chip HOM attivo. Un laser a pompa ad onda continua sintonizzabile a banda stretta intorno a 776 nm è accoppiato nel canale con la sorgente PDC. Per evitare la generazione di coppie di fotoni di ordine superiore, la potenza della pompa viene mantenuta nell'intervallo di 100 µW. Un termoregolatore controlla e stabilizza la distribuzione della temperatura del campione precedentemente determinata. Le due porte di uscita dal chip sono direttamente accoppiate in una coppia di fibre monomodali tramite isolatori in fibra ottica per sopprimere la luce residua della pompa e un filtro passa-banda da 1,2 nm per sopprimere i fotoni di sfondo, i fotoni trasmessi vengono rilevati con rivelatori a nanofili superconduttori (SNSPD) e convertitore tempo-digitale (TDC). B) Risultati sperimentali e simulati del tasso di coincidenza normalizzato in funzione di quale triplo del PC segmentato è pilotato. I dati e la curva blu sono per PC0 spento, mentre i dati e la curva rossi sono per PC0 acceso. Nell'esperimento, solo sette triple del PC segmentato potevano essere indirizzate perché l'elettrodo di PC10 era rotto. Perciò, erano possibili solo 14 diversi ritardi. (C) Profili sperimentali e simulati del tuffo HOM derivati dai risultati di coincidenza mostrati in (B) e dal corrispondente ritardo temporale calcolato. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Gli scienziati hanno illustrato il principio di funzionamento del sistema BED regolabile per mostrare come la differenza dell'indice di gruppo calcolata ∆n G causato un walk-off temporale tra una coppia di fotoni. A seconda dello stato spento/acceso del PC 0 , gli stati di polarizzazione (orizzontale o verticale) della coppia di fotoni rimangono invariati o vengono scambiati per separarsi spazialmente al PBS per dimostrare l'effetto HOM.
Quando PC 0 era acceso, polarizzazioni della coppia di fotoni scambiate per arrivare contemporaneamente al PC segmentato (con 10 segmenti elettro-ottici:PC 1 al PC 10 ). Gli scienziati hanno mostrato come si potrebbe ottenere sperimentalmente l'arrivo simultaneo di due fotoni al divisore di fascio (BS). Luo et al. ha anche mostrato che il ritardo di tempo relativo tra i due fotoni alle porte di ingresso del divisore di fascio potrebbe essere regolato con precisione tra ~ 1,3 ps a più di 12 ps per la gestione dinamica del tempo sul dispositivo.
Gli scienziati hanno implementato la configurazione di misurazione proposta dell'intero esperimento quantistico in laboratorio includendo una pompa esterna, filtri in fibra e unità di rilevamento. Per confermare che l'interferenza di due fotoni dello studio è nel regime quantistico per due fotoni perfettamente identici, i tassi di conteggio delle coincidenze (usati per testare l'entanglement quantistico) tra le due uscite della guida d'onda rilevate dovrebbero scendere a zero. Inoltre, per dimostrare l'interferenza quantistica, il calo (dip) delle coincidenze dovrebbe avere una visibilità oltre il valore classicamente atteso del 50 per cento. Luo et al. calcolato la visibilità dell'interferenza HOM al 93,5 ± 1,8 percento, un valore significativamente superiore al limite classico, verifica della natura quantistica dell'interferenza di due fotoni su chip.
In questo modo, i fisici hanno ampiamente dimostrato un circuito elettro-ottico quantistico in grado di manipolare attivamente gli stati dei fotoni per una gestione del tempo regolabile all'interno di un dispositivo integrato monoliticamente. Hanno usato un chip HOM a due fotoni con una sorgente di coppie di fotoni per la manipolazione della polarizzazione attiva. Il lavoro crea un nuovo approccio per i circuiti elettro-ottici integrati e apre una porta per sfruttare l'enorme potenziale della manipolazione dei qubit in Ti:LiNbO 3, per applicazioni quantistiche. Il dispositivo apre la strada a future operazioni di logica quantistica, l'iperentanglement e l'elaborazione ultraveloce vista con le fibre ottiche, ancora raramente utilizzato in ottica quantistica.
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