Configurazione schematica del sistema sperimentale per generare e caratterizzare lo stato quantistico multifotonico con una guida d'onda nanofotonica di silicio. Come luce della pompa è stato utilizzato un laser a fibra a impulso drogato con erbio con una frequenza di ripetizione di 100 MHz. Dopo un VOA e un prefiltro con una larghezza di banda di 100 GHz, la luce della pompa è stata immessa in un circuito di Sagnac per generare lo stato quantistico di codifica della polarizzazione. Un postfiltro con una larghezza di banda di 200 GHz è stato utilizzato per bloccare la luce della pompa. Un filtro DWDM è stato utilizzato per demultiplare coppie di fotoni nei corrispondenti canali di frequenza, e un'architettura normale per la tomografia dello stato di polarizzazione è stata utilizzata per accertare la qualità degli stati entangled. attenuatore ottico variabile VOA, HWP mezza piastra d'onda, Divisore del fascio di polarizzazione PBS, QWP quarto d'onda, Regolatore di polarizzazione per PC, Rivelatore a singolo fotone a nanofilo superconduttore SNSPD. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
In un recente studio ora pubblicato in Luce:scienza e applicazioni , Ming Zhang, Lan-Tian Feng e un team interdisciplinare di ricercatori presso i dipartimenti di informazione quantistica, fisica quantistica e moderna strumentazione ottica in Cina, ha dettagliato una nuova tecnica per generare coppie di fotoni da utilizzare in dispositivi quantistici. Nello studio, hanno usato un metodo noto come miscelazione a quattro onde per consentire a tre campi elettromagnetici di interagire e produrre un quarto campo. Il team ha creato gli stati quantistici in una guida d'onda a spirale nanofotonica di silicio per produrre brillante, sintonizzabile, Stati quantistici multifotoni stabili e scalabili. La tecnologia è paragonabile ai processi di produzione di fibre e circuiti integrati esistenti per aprire la strada alla progettazione di una gamma di tecnologie quantistiche fotoniche di nuova generazione per applicazioni nella comunicazione quantistica, calcolo e immagini. Le sorgenti quantistiche multifotone descritte in dettaglio nel lavoro svolgeranno un ruolo fondamentale per migliorare la comprensione esistente delle informazioni quantistiche.
Gli scienziati hanno generato stati quantistici multifotonici utilizzando una guida d'onda nanofotonica a silicio singolo e hanno rilevato stati a quattro fotoni con una bassa potenza di pompa di 600 µW per ottenere un'interferenza quantistica multifotonica sperimentale verificata con la tomografia a stato quantistico. Zhang e Feng et al. ha registrato la visibilità dell'interferenza quantistica a un valore superiore al 95% con alta fedeltà. La sorgente quantistica multifotone è completamente compatibile con i processi su chip di manipolazione quantistica e rilevamento quantistico per formare circuiti integrati fotonici quantistici (QPIC) su larga scala. Il lavoro ha un potenziale significativo per la ricerca quantistica multifotone.
Le sorgenti quantistiche multifotone sono fondamentali per costruire diverse piattaforme pratiche per la comunicazione quantistica, calcolo, simulazione e metrologia. I fisici hanno fatto grandi sforzi per realizzare alta qualità, stati quantistici multifotoni luminosi e scalabili nel lavoro precedente, attivare potenti tecnologie quantistiche multiplexando diverse sorgenti di bifotoni per generare entanglement di otto e 10 fotoni. Però, l'efficacia di tali sistemi multiplexing diminuiva con il numero di fotoni entangled. Attualmente, i circuiti integrati fotonici quantistici (QPCI) e la tecnologia silicio su isolante (SOI) rimangono promettenti per realizzare sorgenti di coppie di fotoni di alta qualità.
Schema schematico del sistema sperimentale per generare e caratterizzare gli stati quantistici multifotonici con una guida d'onda nanofotonica di silicio. La configurazione sperimentale contiene un (1) modulatore laser a pompa, (2) la sorgente di fotoni e (3) l'analizzatore di stato. Gli scienziati hanno utilizzato l'HWP combinato (piastre a semionda, rosso) e QWP (piastre a quarto d'onda, blu) inserito tra il PBS (polarization beam splitter, verde) e il chip per controllare la polarizzazione ottica e massimizzare l'efficienza di accoppiamento di una coppia di fotoni. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Il silicio ha diversi vantaggi come substrato per implementare QPIC, che includono non linearità ottica del terzo ordine del materiale e contrasto dell'indice di rifrazione ultra elevato per applicazioni come guide d'onda nanofotoniche SOI. Il silicio è anche compatibile con i processi CMOS (Complement Metal-Oxide Semiconductor), interessanti per l'integrazione fotonica su larga scala. Mentre questi vantaggi hanno permesso ai fisici di realizzare sperimentalmente sorgenti quantistiche bifotone, gli stati quantistici multifotoni sul silicio devono ancora essere generati e riportati.
Nel presente lavoro, Zhang et al. ha generato una polarizzazione a quattro fotoni che codifica gli stati quantistici utilizzando la miscelazione spontanea a quattro onde degenerata (SFWM) in una guida d'onda a spirale di silicio. Gli scienziati hanno prima dimostrato stati quantistici di entanglement di Bell bifotone con elevata luminosità (270 kHz) e un elevato rapporto coincidenza/accidentale (CAR, circa 230) a bassa potenza della pompa (120 µW). Successivamente, usando i due stati entangled di Bell bifotone, Zhang et al hanno generato lo stato quantistico a quattro fotoni (con una potenza della pompa di appena 600 µW). Gli scienziati hanno proiettato questo stato del prodotto quantistico per formare uno stato Greenberger-Horne-Zeilinger (GHz) (cioè uno stato nella teoria dell'informazione quantistica con almeno tre sottosistemi o particelle) con il 50% di probabilità per un ulteriore utilizzo nelle applicazioni dell'informazione quantistica.
Risultati dell'esperimento di coincidenze di due fotoni tra diverse combinazioni delle cinque coppie selezionate di canali del segnale di inattività. Qui la potenza della pompa iniettata nel circuito di Sagnac è di 120 μW. Le coincidenze dei due fotoni sono state misurate per le cinque coppie selezionate di canali di inattività del segnale. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Zhang et al. costruito l'apparato sperimentale in tre parti per contenere il (1) modulatore pompa-laser, (2) la sorgente di fotoni e (3) l'analizzatore di stato. Nel modulatore laser-pompa hanno introdotto un laser a fibra drogato con erbio a impulsi polarizzati linearmente come sorgente della pompa con una frequenza di ripetizione di 100 MHz e un tempo di durata dell'impulso di 90 femtosecondi (fs). Gli scienziati hanno coordinato la luce della pompa in modo che passasse attraverso un prefiltro con larghezza di banda di 100 GHz, seguito da un controller di polarizzazione (PC) e un circolatore ottico per accoppiarsi infine nella sorgente di fotoni. Hanno calcolato che il tempo di coerenza della luce laser a impulsi è di 20 picosecondi (ps) dopo aver attraversato il prefiltro della larghezza di banda di 100 GHz e la perdita di propagazione nella guida d'onda a spirale di silicio era di circa 1 dB/cm.
Rispetto agli stati quantistici multifotoni proposti con i precedenti processi Spontaneous Four Wave Mixing (SFWM), il presente lavoro ha utilizzato una sorgente di nanofili di silicio con dispersione a banda larga vicina allo zero. La configurazione sperimentale con il nanofilo di silicio non ha dimostrato rumore di diffusione Raman, che quindi ha notevolmente aumentato il numero di coppie di fotoni generate. A differenza dei microrisonatori, Zhang et al. non avevano bisogno di sintonizzare la lunghezza d'onda dell'operazione nella configurazione sperimentale poiché usavano invece guide d'onda a spirale di silicio. Gli scienziati hanno utilizzato accoppiatori a reticolo per accoppiare la luce della pompa e accoppiare le coppie di fotoni generate nella configurazione. Come parte della sorgente di fotoni, Zhang et al. ha utilizzato una configurazione con un interferometro di Sagnac, uno schema popolare e autostabilizzato per generare stati di entanglement di polarizzazione.
L'interferometro sperimentale di Sagnac conteneva due piastre a semionda (HWP), due lastre a quarto d'onda (QWP), un divisore del fascio di polarizzazione (PBS) e la guida d'onda a spirale di silicio di circa 1 cm di lunghezza per formare una struttura semplice e un ingombro ridotto (170 x 170 µm 2 ). Gli scienziati hanno utilizzato l'HWP e il QWP combinati inseriti tra il PBS e il chip per controllare la polarizzazione ottica e massimizzare l'efficienza di accoppiamento di una coppia di fotoni. Nell'esperimento, le coppie di fotoni generate sul chip (idler e segnale fotoni) potrebbero essere sovrapposte insieme in entrambe le direzioni (in senso orario e antiorario) per l'uscita dal circuito di Sagnac. A questo punto, gli scienziati hanno utilizzato un denso filtro a divisione di lunghezza d'onda (DWDM) (tecnica di trasmissione in fibra ottica) per separare il segnale e i fotoni inattivi, o demultiplexarli. Sono stati quindi in grado di selezionare liberamente le coppie di fotoni di qualsiasi canale di frequenza combinato tramite la desintonizzazione della frequenza. Gli scienziati hanno notato che dopo aver attraversato i filtri DWDM, la polarizzazione e gli stati quantistici delle coppie di fotoni sono rimasti invariati.
Caratterizzazione di stati entangled di polarizzazione di bifotoni. (a) e (b) sono due coincidenze in funzione dell'angolo di polarizzazione dell'idler quando l'angolo di polarizzazione del segnale è stato mantenuto a 0° (rosso) e 45° (nero), rispettivamente. La barra di errore è stata ottenuta dalla radice quadrata dei dati sperimentali. (c) e (d) forniscono le parti reale (Re) e immaginaria (Im) della matrice densità ideale e la matrice densità misurata dello stato entangled bifotone dai canali di frequenza ±5, rispettivamente. La fedeltà era 0,95 ± 0,01, confermando che lo stato quantistico del bifotone generato era di alta qualità e molto vicino agli stati ideali di massima entanglement. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Zhang et al. quindi caratterizzato la qualità dello stato bifotone generato nell'esperimento. Per questo, hanno selezionato cinque coppie di canali di frequenza utilizzati nello studio per generare il segnale e i fotoni folli, per testare la stabilità del sistema. Hanno misurato le coincidenze di due fotoni tra diverse combinazioni di segnali e canali inattivi e hanno mostrato che la diafonia era trascurabile per la maggior parte dei canali di frequenza. Dopo aver calcolato il massimo stato di Bell entangled in polarizzazione, hanno confermato l'esistenza dell'entanglement e dell'alta fedeltà dello stato bifotonico. Hanno attribuito l'elevato rapporto coincidenza-accidentale (CAR) osservato al rumore non lineare ultrabasso nella configurazione; necessario per generare entanglement multifotonico per ulteriori applicazioni di informazione quantistica.
Per una caratterizzazione completa, gli scienziati hanno condotto la tomografia dello stato quantistico per ricostruire l'architettura sperimentale della matrice di densità dello stato completando misurazioni multiple dello stato quantistico pertinente. I risultati hanno confermato che gli stati quantistici dei bifotoni generati sono di alta qualità per avvicinarsi agli stati ideali di massima entanglement.
Caratterizzazione di stati quantistici codificanti per polarizzazione a quattro fotoni. (a) e (b) sono coincidenze quadruple in funzione degli angoli del polarizzatore folle quando gli angoli del polarizzatore del segnale sono stati mantenuti a 0° (rosso) e 45° (nero), rispettivamente. La barra di errore è stata ottenuta dalla radice quadrata dei dati sperimentali. (c) e (d) forniscono le parti reale (Re) e immaginaria (Im) della matrice della densità ideale e della matrice della densità misurata degli stati quantistici a quattro fotoni, rispettivamente. La fedeltà era 0,78 ± 0,02, che è completamente soddisfacente per l'ulteriore elaborazione delle informazioni quantistiche. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Gli scienziati hanno quindi opportunamente generato stati di entanglement multifotoni multiplexando gli stati bifotoni in diversi canali di frequenza. Hanno ottenuto un tasso di coincidenza quadruplo e hanno mostrato lo stato di quattro fotoni osservato come prodotto tensoriale di due stati di Bell entangled con bifotoni. I modelli di interferenza a quattro fotoni concordavano con la previsione teorica, dispiegarsi in modo diverso dagli stati entangled di bifotoni precedentemente osservati. Sulla base dei risultati di un chiaro schema di interferenza e di un'elevata visibilità delle interferenze, Zhang et al. verificato la fattibilità della tecnica sperimentale per stabilire stati quantistici multifotoni su chip. Come prima, gli scienziati hanno ottenuto la tomografia quantistica degli stati quantistici a quattro fotoni per ricostruire la matrice di densità, ottenendo risultati soddisfacenti per ulteriori applicazioni di informazione quantistica.
In questo modo, gli scienziati hanno dimostrato sperimentalmente la generazione di stati quantistici a quattro fotoni utilizzando una guida d'onda a spirale nanofotonica di silicio. Zhang et al. mirano a migliorare l'efficienza della raccolta di fotoni per aumentare il numero di fotoni entangled nel sistema in futuro. La sorgente di stato quantistico multifotone sviluppata nello studio è compatibile con le moderne architetture in fibra e chip-scale per la produzione su larga scala. Zhang et al. proporre quindi l'integrazione delle caratteristiche interessanti come piattaforma scalabile e pratica per future applicazioni di elaborazione quantistica.
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