I en ny studie som nu publicerats i Ljus:Vetenskap och applikationer , Ming Zhang, Lan-Tian Feng och ett tvärvetenskapligt team av forskare vid avdelningarna för kvantinformation, kvantfysik och modern optisk instrumentering i Kina, detaljerad en ny teknik för att generera foton-par för användning i kvantanordningar. I studien, de använde en metod som kallas fyra-vågsblandning för att tillåta tre elektromagnetiska fält att interagera och producera ett fjärde fält. Teamet skapade kvanttillstånden i en kisel nanofoton spiralvågledare för att producera ljusa, inställbar, stabila och skalbara multiphotonkvanttillstånd. Tekniken är jämförbar med de befintliga tillverkningsprocesserna för fiber och integrerade kretsar för att bana väg för att utveckla en rad nya generationens fotoniska kvanttekniker för applikationer inom kvantkommunikation, beräkning och bildbehandling. Multifotonkvantkällorna som beskrivs i arbetet kommer att spela en kritisk roll för att förbättra den befintliga förståelsen av kvantinformation.

Forskarna genererade multiphoton-kvanttillstånd med hjälp av en nanofoton vågledare med ett kisel och upptäckte tillstånd med fyra foton med en låg pumpeffekt på 600 µW för att uppnå experimentell multiphotonkvantinterferens verifierad med kvanttillståndstomografi. Zhang och Feng et al. registrerade kvantinterferenssynligheterna vid ett värde större än 95 procent med hög trovärdighet. Multifotonkvantkällan är fullt kompatibel med on-chip-processer för kvantmanipulation och kvantdetektering för att bilda storskaliga kvantfotoniska integrerade kretsar (QPIC). Arbetet har en betydande potential för multiphotonkvantforskning.

Multiphoton -kvantkällor är avgörande för att bygga flera praktiska plattformar för kvantkommunikation, beräkning, simulering och metrologi. Fysiker har gjort stora ansträngningar för att förverkliga hög kvalitet, ljusa och skalbara multiphotonkvanttillstånd i tidigare arbete, för att aktivera kraftfull kvantteknik genom att multiplexera flera biphotonkällor för att generera åtta foton och 10-foton sammanfiltring. Dock, effektiviteten hos sådana multiplexeringssystem minskade med antalet intrasslade fotoner. För närvarande, kvantfotonintegrerade kretsar (QPCI) och kisel-på-isolator (SOI) -teknologi förblir lovande att realisera högkvalitativa fotonpar-källor.

Kisel har flera fördelar som ett substrat för att implementera QPIC, som inkluderar tredje ordningens optiska olinearitet av materialet och ultrahög brytningsindexkontrast för applikationer som SOI-nanofotoniska vågledare. Kisel är också kompatibelt med komplementära metalloxidhalvledarprocesser (CMOS)-attraktivt för storskalig fotonisk integration. Även om dessa fördelar har gjort det möjligt för fysiker att experimentellt inse biphotonkvantkällor, flerfoton kvanttillstånd på kisel återstår att generera och rapportera.

I det nuvarande arbetet, Zhang et al. genererade fyra-fotonpolarisering som kodar kvanttillstånd med hjälp av degenererad spontan fyrvågsblandning (SFWM) i en kiselspiralvågledare. Forskarna demonstrerade först biphoton Bell -intrasslingskvanttillstånd med hög ljusstyrka (270 kHz) och en hög sammanfallande till oavsiktligt förhållande (CAR, cirka 230) vid låg pumpeffekt (120 µW). Därefter, med hjälp av de två biphoton Bell intrasslade tillstånden, Zhang et al genererade kvanttillståndet med fyra foton (med en pumpeffekt så låg som 600 µW). Forskarna projekterade detta kvantprodukttillstånd för att bilda ett Greenberger-Horne-Zeilinger (GHz) tillstånd (dvs. ett tillstånd i kvantinformationsteori med minst tre delsystem eller partiklar) med 50 procents sannolikhet för vidare användning i kvantinformationsapplikationer.

Zhang et al. konstruerade den experimentella installationen i tre delar för att innehålla (1) pumplasermodulator, (2) fotonkällan och (3) tillståndsanalysatorn. I pumplasermodulatorn introducerade de en linjärt polariserad puls-erbium-dopad fiberlaser som pumpkälla med en upprepningsfrekvens på 100 MHz och en pulslängdstid på 90 femtosekunder (fs). Forskarna samordnade pumpljuset för att passera genom ett 100 GHz bandbreddsförfilter, följt av en polarisationsstyrenhet (PC) och en optisk cirkulator för att slutligen kopplas till fotonkällan. De beräknade koherenstiden för pulslaserljuset till 20 pikosekunder (ps) efter att ha gått igenom 100 GHz bandbreddsförfiltret och förökningsförlusten i kiselspiralvågledaren var cirka 1 dB/cm.

Jämfört med multiphoton -kvanttillstånd som föreslås med tidigare SFWM -processer (Spontaneous Four Wave Mixing), föreliggande arbete använde en kisel nanotrådskälla med nästan noll bredbandsdispersion. Den experimentella installationen med kisel -nanotråden visade inte Raman -spridningsbrus, vilket därför kraftigt ökade antalet genererade fotonpar. Till skillnad från med mikroresonatorer, Zhang et al. behövde inte justera operationsvåglängden i den experimentella inställningen eftersom de använde kiselspiralvågledare istället. Forskarna använde gallerkopplare för att koppla in pumpljuset och koppla ur de genererade fotonparen i installationen. Som en del av fotonkällan, Zhang et al. använde en konfiguration med en Sagnac-interferometer-ett populärt och självstabiliserat system för att generera polarisationsinviklade tillstånd.

Den experimentella Sagnac-interferometern innehöll två halvvågsplattor (HWP), två kvarts vågplattor (QWP), en polarisationsstråldelare (PBS) och kiselspiralvågledaren som är ungefär 1 cm långa för att bilda en enkel struktur och ett kompakt fotavtryck (170 x 170 µm ² ). Forskarna använde den kombinerade HWP och QWP som sätts in mellan PBS och chipet för att styra optisk polarisering och maximera kopplingseffektiviteten hos ett fotonpar. I experimentet, de on-chip-genererade fotonparen (tomgångs- och signalfotoner) skulle kunna överlagras i båda riktningarna (medurs och moturs) för utmatning från Sagnac-slingan. Vid denna tidpunkt, forskarna använde ett tätt våglängd-division-multiplexing (DWDM) filter (fiberoptisk överföringsteknik) för att separera signal- och tomgångsfoton, eller demultiplexa dem. De kunde således fritt välja fotonpar för alla kombinerade frekvenskanaler via frekvensavstämning. Forskarna noterade att efter att ha gått igenom DWDM -filtren, polariseringen och kvanttillstånden för foton-paren var oförändrade.

Zhang et al. karakteriserade sedan kvaliteten på biphotontillståndet som genererades i experimentet. För detta, de valde fem par frekvenskanaler som användes i studien för att generera signal- och tomgångsfotoner, för att testa systemets stabilitet. De mätte tvåfoton-sammanträffanden mellan olika kombinationer av signal- och tomgångskanaler och visade att överhörningen var försumbar för de flesta frekvenskanaler. Efter att ha beräknat det maximala polarisations-intrasslade Bell-tillståndet, de bekräftade förekomsten av trassel och hög trohet i biphoton -staten. De krediterade det höga sammanfallet-till-oavsiktliga förhållandet (CAR) som observerades till det ultralåga olinjära bruset i installationen; nödvändigt för att generera multiphoton -intrassling för ytterligare kvantinformationsapplikationer.

För fullständig karakterisering, forskarna genomförde kvanttillståndstomografi för att rekonstruera den experimentella tillståndstäthetsmatrisarkitekturen genom att slutföra flera mätningar av det relevanta kvanttillståndet. Resultaten bekräftade att de genererade biphotonkvanttillstånden är av hög kvalitet för att närma sig de ideala maximalt intrasslade tillstånden.

Forskarna genererade sedan bekvämt multiphoton intrasslade tillstånd genom att multiplexera biphoton -tillstånden i olika frekvenskanaler. De uppnådde en fyrfaldig sammanfallande hastighet och visade det observerade fyra-foton-tillståndet som tensorprodukten av två biphoton intrasslade Bell-tillstånd. Störningsmönstren med fyra foton överensstämde med den teoretiska förutsägelsen, att utvecklas annorlunda än de tidigare observerade biphoton intrasslade tillstånden. Baserat på resultaten av ett tydligt interferensmönster och hög interferenssynlighet, Zhang et al. verifierade genomförbarheten av den experimentella tekniken för att etablera on-chip multiphoton kvanttillstånd. Som förut, forskarna erhöll kvanttillståndstomografi av kvanttillstånden med fyra foton för att rekonstruera densitetsmatrisen, vilket ger tillfredsställande resultat för ytterligare applikationer för kvantinformation.

På det här sättet, forskarna demonstrerade experimentellt genereringen av kvanttillstånd med fyra foton med en nanofotonisk spiralvågledare av kisel. Zhang et al. syftar till att förbättra fotoninsamlingseffektiviteten för att öka antalet intrasslade fotoner i systemet i framtiden. Multifotonkvanttillståndskällan som utvecklats i studien är kompatibel med samtida fiber- och chipskalarkitekturer för storskalig produktion. Zhang et al. föreslår därför att de attraktiva funktionerna integreras som en skalbar och praktisk plattform för framtida applikationer för kvantbehandling.

© 2019 Science X Network