Panoramica del dispositivo. (A) Schema del dispositivo microring che mostra il risonatore, canale laterale, microriscaldatore (blu), e modalità di dispersione. (B) Immagine al microscopio ottico del dispositivo. (C) Illustrazione del processo SFWM dell'intrarisonatore, che mostra gli spostamenti di frequenza ΔSPM e ΔXPM associati alla modulazione auto e cross-fase (SPM e XPM, rispettivamente). (D) Spettro di trasmissione rappresentativo del dispositivo microring, che mostra tre risonanze sovrapposte vicino a 1550 nm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Gli scienziati possono generare luce compressa tramite una miscelazione spontanea a quattro onde fortemente guidata al di sotto della soglia nei risonatori microring di nitruro di silicio. La luce generata può essere caratterizzata con rilevamento omodina (per estrarre informazioni codificate in fase o in frequenza) e attraverso misurazioni dirette delle statistiche dei fotoni. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , V.D. Vaidya, e un team di scienziati in Canada e negli Stati Uniti ha misurato il vuoto schiacciato in quadratura e la differenza del numero di fotoni generati all'interno di un dispositivo nanofotonico integrato. I risultati avranno un impatto sulle applicazioni nella tecnologia quantistica.
Il concetto di luce spremuta è rilevante nell'elaborazione ottica quantistica, dove le architetture associate della fotonica a variabile continua richiedono alta qualità, dispositivi scalabili per generare luce compressa per molte applicazioni fondamentali di elaborazione delle informazioni quantistiche fotoniche. Gli esempi includono il calcolo quantistico a variabile continua (CV) e il campionamento dei bosoni gaussiani, che è una strada promettente per ottenere un vantaggio quantistico quasi termico e accogliere una serie di concetti intriganti, comprese le simulazioni dello spettro vibrazionale molecolare, isomorfismo del grafo, abbinamenti perfetti e similarità di grafici.
Luce spremuta per l'elaborazione ottica quantistica
La maggior parte di queste applicazioni quantistiche richiede una fonte scalabile di luce compressa per implementare e migliorare il rilevamento ottico vicino al limite quantistico. La fotonica integrata è una piattaforma naturale per esplorare queste sorgenti di luce spremute scalabili, dove la stabilità e la producibilità ad alto rendimento offerte dai moderni metodi litografici (patterning) presentano percorsi promettenti per realizzare utili tecnologie quantistiche su larga scala. Però, i progressi fino ad oggi sulla spremitura integrata nel chip sono limitati. In questo studio, perciò, Vaidya et al. ha utilizzato la miscelazione spontanea a quattro onde (SWFM) in risonatori a microanelli al nitruro di silicio per fornire una tecnologia prontamente accessibile e matura su piattaforme di fabbricazione commerciale.
Spremitura in quadratura. (A) Panoramica della configurazione sperimentale. Dettagli nel testo principale e nei Materiali Supplementari. WDM, componenti multiplexing a divisione di lunghezza d'onda. LO, oscillatore locale; EDFA, amplificatore in fibra drogata con erbio; PLL, circuito di aggancio fase; VOA, attenuatore ottico variabile; computer, regolatore di polarizzazione; PID, proporzionale-integrale-derivato. (B) Varianza di quadratura (linea nera) relativa al rumore di sparo (linea grigia) in funzione del tempo, mentre la fase dell'oscillatore locale viene accelerata, esibendo 1.0(1) dB di compressione. Le tracce sono ottenute dalle fluttuazioni di fotocorrente del rilevatore omodina monitorate su un analizzatore di spettro elettrico in modalità zero-span alla frequenza di banda laterale di 20 MHz, con una larghezza di banda di risoluzione di 1 MHz e una larghezza di banda video di 300 Hz. (C) Variazioni di quadratura massima e minima in funzione della potenza della pompa per la banda laterale a 20 MHz, che mostra la scala di potenza delle quadrature schiacciate e antischiacciate. Le linee tratteggiate in alto e in basso si ottengono adattandole all'equazione derivata nello studio; viene mostrato il livello del rumore di sparo (linea tratteggiata a 0 db). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Il dispositivo sperimentale stesso aveva dimensioni semplici, dove sia la spremitura della differenza di numero di fotoni che di quadratura potrebbe essere generata nel nitruro di silicio (Si 3 n 4 ) risonatori microring, punto accoppiato alle guide d'onda del canale. La configurazione includeva anche microriscaldatori sovrapposti per la sintonizzazione e la stabilizzazione della lunghezza d'onda di risonanza. Gli scienziati hanno utilizzato una fonderia commerciale per la fabbricazione in cui la guida d'onda conteneva nitruro di silicio completamente rivestito di biossido di silicio (SiO 2 ). Il team ha utilizzato SWFM per generare la compressione e formare una coppia di fotoni di segnale e di inattività. La configurazione sperimentale ha consentito una significativa compressione in quadratura a modesti livelli di potenza in ingresso. Il team ha misurato le statistiche di quadratura e numero di fotoni dal dispositivo e ha confrontato i risultati con le previsioni teoriche.
Spremitura in quadratura:l'esperimento
Il team ha caratterizzato lo stato quantistico dell'uscita del risonatore come uno stato di vuoto schiacciato a due modalità soggetto a perdita, dove la perdita derivava dall'imperfetta efficienza di fuga della cavità e dalle perdite a valle nel punto di accoppiamento del chip. Gli scienziati hanno compreso questo stato come un prodotto di due stati compressi a modalità singola:ciascuno con un supporto di frequenza sia per il segnale che per le risonanze del minimo. Vaidya et al. misurato le varianze di quadratura dei modi di interesse utilizzando il rilevamento bilanciato dell'omodina, un metodo che permetteva l'estrazione di informazioni codificate come fase o frequenza di un segnale oscillante.
Spettro di frequenza di spremitura e antischiacciamento da 20 MHz a 1 GHz a diversi livelli di potenza della pompa. Le potenze elencate sono valori dedotti sul chip nella guida d'onda in ingresso. La linea tratteggiata è il livello del rumore di sparo; le linee continue mostrano adattamenti al modello teorico, mostrando un forte accordo con i dati misurati. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Compressione della differenza del numero di fotoni. (A) Panoramica della configurazione sperimentale. Dettagli nel testo principale e nei Materiali Supplementari. (B) Varianza della differenza del numero di fotoni misurata VΔn in funzione del numero medio di fotoni ntot, ottenuto variando la potenza della pompa, per stati coerenti (grigio) e stati schiacciati (nero) con interpolazioni lineari (linee continue). La pendenza ridotta per lo stato schiacciato rappresenta la compressione della differenza del numero di fotoni. Riquadro:rapporto tra varianza della differenza numerica e numero medio di fotoni in funzione del numero medio di fotoni per stati coerenti (grigio) e stati schiacciati (nero). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Durante l'esperimento, il team ha accoppiato una pompa a onda continua nel chip per estrarre la luce tramite accoppiatori di bordo a bassa perdita. La pompa ha eccitato una singola risonanza del microanello nel chip per generare luce attraverso più coppie di segnali e di rinvio. Il team ha selezionato una di queste coppie di modalità di segnale e idler con filtri di lunghezza d'onda off-chip per l'analisi. Hanno quindi prodotto un oscillatore locale bicromatico e lo hanno combinato con il segnale e la luce dell'idler su un divisore di fascio in fibra sintonizzabile. In base ai risultati, gli scienziati hanno stimato che circa 4 dB di compressione sarebbero disponibili all'uscita di monitoraggio sul chip, e ottenuto la compressione della banda larga, limitato dalle larghezze di riga di risonanza. Però, a parte le perdite e le limitazioni di potenza della pompa la presenza di rumore è troppo limitata al leggero schiacciamento. Per evitare la compressione della luce corrotta nei dispositivi, perciò, il team ha valutato la presenza di rumore in eccesso nel sistema, all'interno della banda di spremitura e ha proposto ulteriori passaggi di ottimizzazione per migliorare la precisione e valutare meglio l'effetto.
Correlazioni del numero di fotoni
Sebbene le misurazioni dell'omodina valutassero accuratamente lo schiacciamento in quadratura, il team ha anche verificato la compatibilità di una sorgente di luce compressa con il conteggio dei fotoni. Gli scienziati hanno eseguito il rilevamento della risoluzione dei numeri sull'uscita del dispositivo, per questo esperimento, hanno usato un risonatore microring con una sezione trasversale più ampia. Vaidya et al. quindi separato il segnale e l'idler generati nella configurazione e filtrati tramite componenti multiplexing a divisione di lunghezza d'onda. Hanno quindi accoppiato l'uscita a sensori del bordo di transizione (TES) superconduttori che risolvono il numero di fotoni per fornire una risoluzione del numero di fotoni a circa 10 fotoni per canale. Gli scienziati hanno registrato una caratteristica notevole nel lavoro, dove hanno rilevato un alto tasso di eventi multifotoni correlati. I risultati hanno mostrato la generazione di "stati a molti fotoni" in una piattaforma nanofotonica a velocità molto più elevate per motivare lo sviluppo di applicazioni che richiedono sorgenti di luce schiacciate.
In questo modo, V. D. Vaidya e colleghi hanno generato quasi singoli stati temporali compressi senza effetti ingegneristici speciali a causa della natura risonante della configurazione. Le perdite erano il principale fattore limitante delle prestazioni, che può essere migliorato per ottenere fattori di qualità del risonatore più elevati per migliori effetti di compressione della luce. Il team propone di migliorare il rapporto segnale-rumore per migliorare l'efficienza di generazione riducendo la quantità di potenza richiesta per funzionare al livello di compressione desiderato. Ciò ridurrà anche il numero di fotoni generati a causa dello scattering Raman spontaneo nei componenti della fibra che costituiscono il dispositivo. Occorre prestare attenzione durante la soppressione del rumore per evitare di sopprimere lo schema sperimentale. Il team formerà naturalmente i prossimi passi per progettare sorgenti luminose schiacciate integrate nel chip.
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