Översikt över enheten. (A) Schematisk mikroringenhet som visar resonator, sidokanal, mikrovärmare (blå), och spridningslägen. (B) Optisk mikroskopbild av enheten. (C) Illustration av intraresonator SFWM-process, visar frekvensskiften ΔSPM och ΔXPM associerade med själv- och tvärfasmodulering (SPM och XPM, respektive). (D) Representativt transmissionsspektrum för mikroringanordning, visar tre överkopplade resonanser nära 1550 nm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Forskare kan generera pressat ljus via starkt driven spontan fyrvågsblandning under tröskelvärdet i mikroringresonatorer av kiselnitrid. Det genererade ljuset kan karakteriseras med homodyndetektion (för att extrahera fas- eller frekvenskodad information) och genom direkta mätningar av fotonstatistik. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , V.D. Vaidya, och ett team av forskare i Kanada och USA mätte den kvadraturpressade vakuum- och fotontalskillnaden som genererades i en integrerad nanofotonisk enhet. Resultaten kommer att påverka tillämpningar inom kvantteknik.
Konceptet med klämt ljus är relevant i kvantoptisk bearbetning, där de associerade arkitekturerna för kontinuerlig variabel fotonik kräver hög kvalitet, skalbara enheter för att generera pressat ljus för många grundläggande fotoniska kvantinformationsbearbetningsapplikationer. Exempel inkluderar kontinuerlig variabel (CV) kvantberäkning och Gaussisk bosonsampling, vilket är en lovande väg för att uppnå nära-termiska kvantfördelar och rymma en rad spännande koncept, inklusive simuleringar av molekylärt vibroniskt spektrum, grafisomorfism, perfekta matchningar och graflikhet.
Pressat ljus för kvantoptisk bearbetning
De flesta av dessa kvanttillämpningar kräver en skalbar källa av sammanpressat ljus för att implementera och förbättra optisk avkänning nära kvantgränsen. Integrerad fotonik är en naturlig plattform för att utforska dessa skalbara, klämda ljuskällor, där stabiliteten och tillverkningsbarheten med hög genomströmning som erbjuds av moderna litografiska (mönster)metoder presenterar lovande vägar för att realisera användbar kvantteknologi i stor skala. Dock, framstegen hittills med chip-integrerad klämning är begränsade. I föreliggande studie, därför, Vaidya et al. använde spontan fyrvågsblandning (SWFM) i mikroringresonatorer av kiselnitrid för att tillhandahålla en lättillgänglig och mogen teknologi på kommersiella tillverkningsplattformar.
Kvadraturklämning. (A) Översikt över experimentell uppställning. Detaljer i huvudtexten och tilläggsmaterialet. WDM, våglängdsmultiplexeringskomponenter. LO, lokal oscillator; EDFA, erbiumdopad fiberförstärkare; PLL, faslåst slinga; VOA, variabel optisk dämpare; PC, polarisationskontroller; PID, proportionell-integral-derivata. (B) Kvadraturvarians (svart linje) i förhållande till skottbrus (grå linje) som funktion av tid, medan lokaloscillatorfasen är rampad, uppvisar 1,0(1) dB av klämning. Spår erhålls från homodyndetektorns fotoströmsfluktuationer övervakade på en elektrisk spektrumanalysator i nollspansläge vid 20 MHz sidbandsfrekvens, med en upplösningsbandbredd på 1 MHz och en videobandbredd på 300 Hz. (C) Maximala och minsta kvadraturvariationer som en funktion av pumpeffekten för 20 MHz sidbandet, visar effektskalningen av de klämda och antiklämda kvadraturerna. De streckade linjerna översta och nedre erhålls genom att passa till ekvationen som härleds i studien; skottljudnivån visas (streckad linje vid 0 db). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Själva experimentapparaten hade enkla dimensioner, där både kvadratur- och fotontalsskillnadspressning kan genereras i kiselnitrid (Si 3 N 4 ) mikroringresonatorer, punkt kopplad till kanalvågledare. Inställningen inkluderade också mikrovärmare överlagrade för resonansvåglängdsinställning och stabilisering. Forskarna använde ett kommersiellt gjuteri för tillverkning där vågledaren innehöll kiselnitrid helt klädd i kiseldioxid (SiO) 2 ). Teamet använde SWFM för att generera squeezing och bilda ett par signal- och tomgångsfotoner. Den experimentella uppställningen tillät betydande kvadraturklämning vid måttliga ineffektnivåer. Teamet mätte kvadratur- och fotontalsstatistiken från enheten och jämförde resultaten med teoretiska förutsägelser.
Kvadraturklämning - experimentet
Teamet karakteriserade kvanttillståndet för resonatorutgången som ett tvåläges pressat vakuumtillstånd utsatt för förlust, där förlusten uppstod från den ofullkomliga flykteffektiviteten hos kaviteten och nedströms förluster vid chipets kopplingspunkt. Forskarna förstod detta tillstånd som en produkt av två enkelmods pressade tillstånd:var och en med ett frekvensstöd vid både signal- och tomgångsresonansen. Vaidya et al. mätte kvadraturvarianserna för de intressanta lägena med hjälp av balanserad homodyndetektion, en metod som möjliggjorde extrahering av information kodad som fasen eller frekvensen för en oscillerande signal.
Klämning och antisqueezing frekvensspektrum från 20 MHz till 1 GHz vid olika pumpeffektnivåer. Effekter som anges är härledda värden på chipet i ingångsvågledaren. Den streckade linjen är skottljudnivån; heldragna linjer uppvisar passar den teoretiska modellen, visar stark överensstämmelse med de uppmätta data. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Foton nummer skillnad klämma. (A) Översikt över experimentell uppställning. Detaljer i huvudtexten och tilläggsmaterialet. (B) Uppmätt fotonnummerskillnadsvarians VΔn som funktion av genomsnittligt fotonantal ntot, erhålls genom att variera pumpeffekten, för koherenta tillstånd (grå) och klämda tillstånd (svart) med linjära passningar (heldragna linjer). Den reducerade lutningen för det klämda tillståndet representerar klämning av fotonnummerskillnad. Insättning:Förhållandet mellan talskillnadsvarians och medelfotonantal som funktion av medelfotonantal för koherenta tillstånd (grå) och klämda tillstånd (svart). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Under experimentet, teamet kopplade in en kontinuerlig vågpump i chipet för att extrahera ljus via lågförlustkantkopplare. Pumpen exciterade en enda resonans av mikroringen i chipet för att generera ljus över flera signal- och tomgångspar. Teamet valde ett sådant par av signal- och tomgångslägen med våglängdsfilter utanför chipet för analys. De producerade sedan en bikromatisk lokaloscillator och kombinerade denna med signalen och tomgångsljuset på en avstämbar fiberstråldelare. Baserat på resultaten, forskarna uppskattade att cirka 4 dB klämning var tillgänglig vid övervakningsutgången på chipet, och fick bredbandspressning, begränsad av resonanslinjebredder. Dock, bortsett från förluster och begränsningar av pumpeffekt förekomsten av buller alltför begränsad ljus klämning. För att undvika att korrupt ljus klämmer in enheter, därför, teamet bedömde förekomsten av överdrivet buller i systemet, inom klämbandet och föreslagna ytterligare optimeringssteg för att förbättra precisionen och bättre bedöma effekten.
Fotonnummerkorrelationer
Även om homodynmätningar noggrant utvärderade kvadraturklämning, teamet verifierade också kompatibiliteten hos en klämd ljuskälla med fotonräkning. Forskarna utförde nummerlösande detektering på enhetens utgång, för detta experiment, de använde en mikroringresonator med ett bredare tvärsnitt. Vaidya et al. sedan separerade signalen och tomgången som genererades i installationen och filtrerade dem via våglängdsmultiplexeringskomponenter. De kopplade sedan utgången till supraledande fotonnummerupplösningsövergångskantsensorer (TES) för att ge fotonnummerupplösning till cirka 10 fotoner per kanal. Forskarna registrerade ett anmärkningsvärt inslag i arbetet, där de upptäckte en hög frekvens av korrelerade multifotonhändelser. Resultaten visade generering av "många-fotontillstånd" i en nanofotonisk plattform med mycket högre hastigheter för att motivera utvecklingen av applikationer som kräver pressade ljuskällor.
På det här sättet, V. D. Vaidya och kollegor genererade nästan enstaka tidspressade tillstånd utan speciella tekniska effekter på grund av uppställningens resonansnatur. Förluster var den primära begränsande faktorn för prestation, som kan förbättras för att erhålla högre resonatorkvalitetsfaktorer för bättre ljusklämningseffekter. Teamet föreslår att signal-brusförhållandet förbättras för att förbättra genereringseffektiviteten genom att minska mängden kraft som krävs för att fungera på önskad nivå av klämning. Detta kommer också att minska antalet fotoner som genereras på grund av spontan Raman-spridning i fiberkomponenterna som utgör enheten. Försiktighet måste iakttas under ljuddämpning för att förhindra att experimentschemat undertrycks. Teamet kommer naturligtvis att bilda nästa steg för att konstruera chip-integrerade, klämda ljuskällor.
© 2020 Science X Network
