Ikke-lineære integrerede kvanteelektro-optiske kredsløb

Et skematisk diagram af et miniaturiseret kompakt kvantekredsløb med aktiv og nøjagtig manipulation i LiNbO3-bølgeledere. (A) HOM-bundningseffekt af utydelige fotoner i en stråledeler (BS). (B) Skema af et typisk HOM-eksperiment ved hjælp af optiske bulkkomponenter. Alle funktionaliteterne i den gule boks er integreret i chippen. (C) Skema for den integrerede kvanteoptiske chip med monolitisk integreret PDC (parametrisk nedkonvertering) kilde, elektro-optiske polarisationskonvertere (pc'er), polarisationsstråledeler (PBS), og stråledeler (BS). De grå linjer angiver de Ti-indiffuserede bølgeledere. I den periodiske polede PDC-sektion, ortogonalt polariserede fotonpar (H og V) genereres. I den efterfølgende PC0, den fuldstændige konvertering ændrer polarisationstilstanden for begge fotoner fra vandret (H) til lodret (V) og omvendt ved at påføre styrespændingerne U0. Disse fotoner er rumligt adskilt af PBS. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aat1451

Fysikere forestiller sig, at fremtiden for kvanteberegningsnetværk vil indeholde skalerbare, monolitiske kredsløb, som omfatter avancerede funktionaliteter på et enkelt fysisk substrat. Mens der allerede er gjort betydelige fremskridt for en række applikationer på forskellige platforme, rækken af forskellige fotoniske tilstande, der kan manipuleres efter behov på en enkelt chip, forbliver begrænset. Dette observeres specifikt for dynamisk tidsstyring i kvanteenheder.

I en nylig undersøgelse, nu udgivet i Videnskabens fremskridt , Kai-Hong Luo og kolleger demonstrerer en elektro-optisk enhed, som inkluderede dynamiske funktioner i fotonpargenerering, udbredelse og elektro-optisk vej routing. Enheden indeholdt spændingskontrollerbar tidsforsinkelse på tilnærmelsesvis op til 12 picosekunder på en enkelt Ti:LiNbO ₃ (titanium-indiffuseret lithiumniobat) bølgelederchip.

Som et bevis på princippet, fysikerne på den tværfaglige afdeling for fysik, optoelektronik og fotonik demonstrerede Hong-Ou-Mandel-interferensen med en synlighed på mere end 93 ± 1,8 procent. Chippen udviklet af Luo et al. i undersøgelsen tilladt bevidst manipulation af fotoniske tilstande ved at rotere polarisationen. Eksperimenter viste, at fysikerne kunne anstrenge sig fuldt ud, fleksibel kontrol på enkelt-qubit-operationer ved at udnytte det fulde potentiale af hurtig on-chip elektro-optisk modulering.

I det seneste årti, en række materialer er blevet brugt til at udvikle optiske kredsløb til kvanteporte, kvante interferens, kvantemetrologi, bosonprøvetagning og kvantevandringer. Disse kredsløb blev udviklet på materialer, herunder glas, siliciumnitrid, silicium på isolator og silicium på silicium. Sammenlignet med, udviklingen af integrerede fotoniske enheder baseret på andenordens ikke-lineariteter er forblevet langsom, på trods af effektiviteten ved at udnytte X ⁽²⁾ ulineariteter. Selv med succesen med afstembare koblere og spændingskontrollerede faseskiftere, det fulde potentiale af hurtig aktiv elektro-optisk routing og rotation af polariserede fotoner i kvantekredsløb mangler at blive udnyttet.

Skematisk illustration af HOM-bundningseffekten af udskillelige fotoner i en Beam Splitter. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aat1451

Formålet med Luo et al. var at demonstrere bevidst manipulation af fotoniske tilstande via præcis polarisering og tidsregulering på en enkelt kvantekredsløbsenhed. For det, de fokuserede på Hong-Ou-Mandel (HOM) interferenser, blandt de mest fundamentale ikke-klassiske eksperimenter inden for kvanteoptik. HOM er kernen i mange kvantelogiske operationer såsom bosonsampling, Klokketilstandsmåling for kvanterepeatere og Knill, Laflamme og Milburn protokol til kvanteberegning. Alligevel, en praktisk tilgang er endnu ikke blevet produceret på en integreret chip til at indeholde alle funktionaliteter, og med evnen til at manipulere kvantetilstande efter behov i det komplette HOM-eksperiment.

I nærværende undersøgelse, Luo et al. tilbød et integreret elektro-optisk kredsløbsdesign, der kunne realisere flere operationer på en enkelt Ti:LiNbO ₃ bølgelederchip. De integrerede operationer omfattede:

Generering af fotonpartilstand
Passiv routing
Hurtig aktiv polarisering til qubit-manipulation
Elektro-optisk afbalanceret kobling
Styring af variabel tidsforsinkelse.

For alle kvantelogiske operationer, tidsmæssig synkronisering af en manipuleret tilstand er et grundlæggende krav. Som resultat, hurtige og elektro-optisk kontrollerbare on-chip tidsforsinkelser er afgørende inklusion for alle kvanteapplikationer.

Øvre panel:Skematisk illustration af den integrerede kvanteoptiske chip med monolitiske indeslutninger af en PDC-kilde (20,7 mm), elektro-optiske pc'er (7,62 mm), PBS, fremhævet med grønt (4,0 mm), BS fremhævet med blåt, og et enkelt element i de segmenterede omformere (PC1 til PC10; 2,54 mm hver). Nedre panel:Klassisk karakterisering af det integrerede kredsløb. A) Normaliseret effekt af den anden harmoniske (SH) bølge genereret i PDC-sektionen med en polingperiode på ΔPDC =9,04 µm som funktion af den grundlæggende bølgelængde, som er fra en afstembar telekommunikationslaser med smal båndbredde. (B) Spektral transmissionskarakteristika for PC0 og de forskellige tredobbelte kombinationer af den segmenterede PC (med en polingperiode på ΔPC =21,4 µm). Forskerne opnåede kurverne ved at lancere bredbånds usammenhængende lys i telekommunikationsområdet og måle den ukonverterede effekt bag en polarisator. Kurverne er normaliseret til et referencetransmissionsspektrum opnået uden konvertering. (C) Temperaturafhængighed af de to fasetilpasningsprocesser (PDC og PC). Krydsning af de to kurver bestemmer det optimale driftspunkt, som er ved T =43,6°C og λ =1551,7 nm. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aat1451

HOM-effekten kan fremstilles eksperimentelt af en stråledeler (BS). Under virkningen, to identiske fotoner, der kommer ind i en stråledeler fra modsatte indgangsporte, samles og forlader den samme udgangsport. For at demonstrere denne kvanteeffekt i et optisk HOM-eksperiment, fysikerne genererede fotonpar (signal- og tomgangsfotoner), og derefter rumligt adskilt dem med en polarisation beam splitter (PBS). Efter polarisationsrotation og indførelse af en variabel tidsforsinkelse mellem fotonerne, de blev rekombineret ved en symmetrisk stråledeler (BS), hvor kvanteinterferens fandt sted. Til fremstilling af monolitiske kredsløb, fysikerne brugte Ti:LiNbO ₃ platform, som udnyttede det stærke X ⁽²⁾ ikke-linearitet under fotonpargenerering og elektro-optisk manipulation af qubits.

Luo et al. introducerede derefter konceptet med dobbeltbrydende elektro-optisk forsinkelse (BED) for at overvinde en iboende dobbeltbrydende (dobbelt brydning af lys) forsinkelse i det ikke-lineære medium. Metoden udnyttede den elektro-optiske polarisationskonvertering og dobbeltbrydning af selve materialet for at tillade nøjagtig on-chip tidsregulering.

Det komplekse kredsløbsdesign indeholdt flere forskellige komponenter, der allerede var optimeret som individuelle enheder, videnskabsmændene fremstillede bølgelederne ved Ti-indiffusion til single-mode guiding i begge polariseringer. Vigtigt, i den monolitiske on-chip elektrooptiske enhed, den relative forsinkelse mellem signal- og tomgangsfotonerne krævede justering via den segmenterede polarisationscontroller. Et andet vigtigt kriterium var længden af hele enheden, som skulle holdes så korte som muligt for at fremstille homogene strukturer.

Illustration af princippet for den justerbare SENGELINJE. (A) Diagrammet viser chipdesignet sammen med nogle indsætninger, der illustrerer det tidsmæssige forhold mellem de vandret (rød) og vertikalt (blå) polariserede fotonbølgepakker ved forskellige positioner af strukturen og for forskellige konfigurationer af pc'erne. Tilfælde I:Hvis PC0 er slukket, så øges den tidsmæssige walk-off langs strukturen. Tidsforsinkelsen mellem de to fotoner kan varieres, afhængigt af hvilket element i den segmenterede konverter der er tændt; imidlertid, de to fotoner vil aldrig ankomme samtidigt til BS (HOM-effekten observeres ikke eksperimentelt). Tilfælde II:Hvis PC0 er tændt, så kan den oprindeligt vandret polariserede foton overhale den anden foton, før de ankommer til den segmenterede PC. En samtidig ankomst af de to fotoner til BS kan opnås, hvis et bestemt element af den segmenterede PC adresseres for at opfylde HOM-effekten. (B) Beregnet tidsforsinkelse af fotonerne ved BS som funktion af elementet i den segmenterede PC, hvor den endelige ombytning af polarisationen udføres. Diagrammet viser resultatet for de to tilfælde af PC0 til og fra. Den stiplede linje angiver tidssynkroniseringen mellem de to polariserede fotoner. De parametre, der bruges til beregningerne, er tilpasset geometrien af den fremstillede enhed - længder af PDC-sektionen (20,7 mm), PC0 (7,62 mm), PBS-sektionen (4,0 mm), og et enkelt element af de segmenterede omformere (2,54 mm). En gruppeindeksforskel Δng =0,0805 er afledt af Sellmeier-ligningerne for LiNbO3 (λ=1551,7 nm). Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aat1451

Forskerne genererede fotonpar i den parametriske nedkonvertering (PDC) sektion (en ikke-lineær øjeblikkelig optisk proces, der konverterede en foton med højere energi til et par fotoner), som indeholdt den Ti-indiffuserede single-mode bølgeleder. For HOM-chippen var det vigtigt, at de genererede fotonpar var degenererede. Degenerationspunktet kunne indstilles ved at variere temperaturen, med en tuninghældning på ca. – 0,15 nm/ ⁰ C. Enheden indeholdt en specifikt designet retningskobler til at fungere som en polarisationsstråledeler (PBS) til rumligt at adskille de ortogonalt polariserede fotoner.

Nøgleelementer i BED-systemet udviklet af Luo et al. inkluderet elektro-optiske polarisationskonvertere (pc'er). Disse omformere indeholdt en periodisk polet bølgeleder, med elektroder på hver side. I det illustrerede kredsløbsdesign af den integrerede kvanteoptiske chip, fysikerne placerede den første pc (pc ₀ ) direkte bag PDC-sektionen. Dette blev efterfulgt af en segmenteret pc ₁₀ (PC ₁ til pc ₁₀; indeholdende 10 elektro-optiske elementer) i én gren, efter polarisation beam splitter (PBS) regionen. stråledeleren (BS), indeholdt to bølgeledere adskilt af et 6 µm bredt mellemrum.

Eksperimentel opsætning og kvanteresultater. (A) Eksperimentel opsætning til kvantekarakterisering af den aktive HOM-chip. En afstembar smalbåndet kontinuerlig bølgepumpelaser omkring 776 nm er koblet ind i kanalen med PDC-kilden. For at undgå generering af fotonpar af højere orden, pumpeeffekten holdes i området 100 µW. En temperaturregulator kontrollerer og stabiliserer den tidligere bestemte temperaturfordeling af prøven. De to udgangsporte fra chippen er direkte koblet til et par single-mode fibre via fiberoptiske isolatorer for at undertrykke det resterende pumpelys og et 1,2 nm båndpasfilter til at undertrykke baggrundsfotoner, de transmitterede fotoner detekteres med superledende nanotrådsdetektorer (SNPD'er) og time-to-digital converter (TDC). B) Eksperimentelle og simulerede resultater af den normaliserede koincidensrate som funktion af hvilken tripel af den segmenterede PC der drives. De blå data og kurve er for PC0 slukket, mens de røde data og kurve er for PC0 tændt. I forsøget kun syv tripler af den segmenterede pc kunne adresseres, fordi elektroden på PC10 var ødelagt. Derfor, kun 14 forskellige forsinkelser var mulige. (C) Eksperimentelle og simulerede profiler af HOM-dip afledt af koincidensresultaterne vist i (B) og den tilsvarende beregnede tidsforsinkelse. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aat1451

Forskerne illustrerede arbejdsprincippet for det justerbare BED-system for at vise, hvordan den beregnede gruppeindeksforskel ∆n _g forårsagede en tidsmæssig walk-off mellem et par fotoner. Afhængig af slukket/tændt status på pc'en ₀ , fotonparrets polarisationstilstande (vandret eller lodret) forbliver enten uændret eller ombyttes til rumligt adskillelse ved PBS for at demonstrere HOM-effekten.

Når PC ₀ var tændt, polariseringer af fotonparret byttet for samtidig at ankomme til den segmenterede pc (med 10 elektro-optiske segmenter:pc ₁ til pc ₁₀ ). Forskerne viste, hvordan den samtidige ankomst af to fotoner til stråledeleren (BS) kunne opnås eksperimentelt. Luo et al. viste også, at den relative tidsforsinkelse mellem de to fotoner ved indgangsportene på stråledeleren kunne finjusteres mellem ~ 1,3 ps til mere end 12 ps for dynamisk tidsstyring på enheden.

Forskerne implementerede den foreslåede måleopsætning af hele kvanteeksperimentet i laboratoriet ved at inkludere en ekstern pumpe, fiberfiltre og detektionsenheder. For at bekræfte, at to-foton interferens af undersøgelsen er i kvanteregimet for to fuldstændig identiske fotoner, koincidens-tællehastighederne (brugt til at teste kvantesammenfiltring) mellem de to detekterede bølgelederudgange bør falde til nul. Derudover at bevise kvanteinterferens, faldet (dip) af tilfældigheder bør have en synlighed ud over den klassisk forventede værdi på 50 procent. Luo et al. beregnede synligheden af HOM-interferensen ved 93,5 ± 1,8 procent, en værdi væsentligt højere end den klassiske grænse, verificering af kvantenaturen af to-foton-interferensen på chip.

På denne måde fysikerne demonstrerede rigeligt et kvanteelektro-optisk kredsløb, der aktivt kunne manipulere fotontilstande til justerbar tidsstyring i en monolitisk integreret enhed. De brugte en to-foton HOM-chip med en kilde til fotonpar til aktiv polariseringsmanipulation. Værket skaber en ny tilgang til integrerede elektro-optiske kredsløb og åbner en dør til at udnytte det enorme potentiale ved qubit-manipulation i Ti:LiNbO _3, til kvanteapplikationer. Enheden baner vejen mod fremtidige kvantelogiske operationer, hyperentanglement og ultrahurtig behandling set med fiberoptik, dog sjældent brugt i kvanteoptik.

Sidste artikelHvordan hænger fisk og fugle sammen? Forskere finder, at svaret er en vågne med formål

Næste artikelSådan undslipper du et sort hul:Simuleringer giver nye spor om kraftige plasmastråler