Generering af multifoton kvantetilstande på silicium

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer , Ming Zhang, Lan-Tian Feng og et tværfagligt team af forskere ved afdelingerne for kvanteinformation, kvantefysik og moderne optisk instrumentering i Kina, detaljerede en ny teknik til at generere foton-par til brug i kvanteenheder. I undersøgelsen, de brugte en metode kendt som fire-bølge blanding for at tillade tre elektromagnetiske felter at interagere og producere et fjerde felt. Holdet skabte kvantetilstande i en silicium nanofotonisk spiralbølgeleder for at producere lys, indstillelig, stabile og skalerbare multifoton kvantetilstande. Teknologien er sammenlignelig med de eksisterende fiber- og integrerede kredsløbsfremstillingsprocesser for at bane vejen for at konstruere en række nye generationer af fotoniske kvanteteknologier til applikationer inden for kvantekommunikation, beregning og billeddannelse. De multifoton kvantekilder, der er detaljeret i arbejdet, vil spille en afgørende rolle for at forbedre den eksisterende forståelse af kvanteinformation.

Forskerne genererede multifoton kvantetilstande ved hjælp af en enkelt-silicium nanofotonisk bølgeleder og detekterede fire-fotontilstande med en lav pumpeeffekt på 600 µW for at opnå eksperimentel multifoton kvanteinterferens verificeret med kvantetilstandstomografi. Zhang og Feng et al. registrerede kvanteinterferenssynlighederne ved en værdi større end 95 procent med høj kvalitet. Multifoton kvantekilden er fuldt ud kompatibel med on-chip processer med kvantemanipulation og kvantedetektion for at danne kvantefotoniske integrerede kredsløb i stor skala (QPIC'er). Arbejdet har et betydeligt potentiale for multifoton kvanteforskning.

Multifoton kvantekilder er afgørende for at bygge flere praktiske platforme til kvantekommunikation, beregning, simulering og metrologi. Fysikere har gjort en stor indsats for at realisere høj kvalitet, lyse og skalerbare multifoton kvantetilstande i tidligere arbejde, at aktivere kraftfulde kvanteteknologier ved at multiplekse flere bifotonkilder for at generere otte-foton og 10-foton sammenfiltring. Imidlertid, effektiviteten af ​​sådanne multiplekseringssystemer faldt med antallet af sammenfiltrede fotoner. På nuværende tidspunkt kvantefotoniske integrerede kredsløb (QPCI'er) og silicium-på-isolator (SOI) teknologi forbliver lovende til at realisere højkvalitets foton-par kilder.

Silicium har flere fordele som et substrat til at implementere QPIC'er, som inkluderer tredje-ordens optisk ikke-linearitet af materialet og ultrahøj refraktionsindekskontrast til applikationer som SOI nanofotoniske bølgeledere. Silicium er også kompatibelt med komplementære metaloxid-halvlederprocesser (CMOS) - attraktivt for fotonisk integration i stor skala. Selvom disse fordele har gjort det muligt for fysikere at eksperimentelt realisere bifoton-kvantekilder, multifoton kvantetilstande på silicium mangler stadig at blive genereret og rapporteret.

I nærværende arbejde, Zhang et al. genereret fire-foton polarisering kodende for kvantetilstande ved hjælp af degenereret spontan fire-bølge blanding (SFWM) i en silicium spiral bølgeleder. Forskerne demonstrerede først biphoton Bell-entanglement-kvantetilstande med høj lysstyrke (270 kHz) og et højt forhold mellem sammenfald og ulykke (CAR, tilnærmelsesvis 230) ved en lav pumpeeffekt (120 µW). Derefter, ved at bruge de to bifoton Bell-indviklede tilstande, Zhang et al genererede fire-foton kvantetilstanden (med en pumpeeffekt så lav som 600 µW). Forskerne projekterede denne kvanteprodukttilstand til at danne en Greenberger-Horne-Zeilinger (GHz) tilstand (dvs. en tilstand i kvanteinformationsteori med mindst tre undersystemer eller partikler) med 50 procent sandsynlighed for yderligere brug i kvanteinformationsapplikationer.

Zhang et al. konstruerede den eksperimentelle opsætning i tre dele for at indeholde (1) pumpe-laser-modulatoren, (2) fotonkilden og (3) tilstandsanalysatoren. I pumpe-laser-modulatoren introducerede de en lineært polariseret puls erbium-doteret fiberlaser som pumpekilde med en gentagelsesfrekvens på 100 MHz og en pulsvarighed på 90 femtosekunder (fs). Forskerne koordinerede pumpelyset til at passere gennem et 100 GHz båndbredde forfilter, efterfulgt af en polarisationscontroller (PC) og en optisk cirkulator for til sidst at koble til fotonkilden. De beregnede kohærenstiden for det pulserende laserlys til at være 20 picosekunder (ps) efter at have gået gennem 100 GHz båndbredde-forfilteret, og udbredelsestabet i siliciumspiralbølgelederen var ca. 1 dB/cm.

Sammenlignet med multifoton kvantetilstande foreslået med tidligere Spontaneous Four Wave Mixing (SFWM) processer, det nuværende arbejde brugte en silicium nanotrådskilde med næsten nul bredbåndsspredning. Den eksperimentelle opsætning med silicium nanotråden demonstrerede ikke Raman-spredningsstøj, hvilket derfor i høj grad øgede antallet af genererede fotonpar. I modsætning til mikroresonatorer, Zhang et al. behøvede ikke at justere operationsbølgelængden i forsøgsopstillingen, da de i stedet brugte siliciumspiralbølgeledere. Forskerne brugte gitterkoblere til at koble pumpelyset ind og koble de genererede fotonpar ud i opsætningen. Som en del af fotonkilden, Zhang et al. brugte en konfiguration med et Sagnac-interferometer – et populært og selvstabiliseret skema til at generere polarisations-sammenfiltrede tilstande.

Det eksperimentelle Sagnac interferometer indeholdt to halvbølgeplader (HWP'er), to kvartbølge plader (QWP'er), en polarisationsstråledeler (PBS) og siliciumspiralbølgelederen, der tilnærmer en længde på 1 cm for at danne en enkel struktur og kompakt fodaftryk (170 x 170 µm ² ). Forskerne brugte den kombinerede HWP og QWP indsat mellem PBS og chippen til at kontrollere optisk polarisering og maksimere koblingseffektiviteten af ​​et fotonpar. I forsøget de on-chip-genererede fotonpar (idler- og signalfotoner) kunne overlejres i begge retninger (med uret og mod uret) til output fra Sagnac-løkken. På dette tidspunkt, forskerne brugte et tæt bølgelængde-division-multiplexing (DWDM) filter (fiberoptisk transmissionsteknik) til at adskille signal- og tomgangsfotonerne, eller demultiplex dem. De var således i stand til frit at vælge fotonparrene af enhver kombineret frekvenskanal via frekvensafstemning. Forskerne bemærkede, at efter at have gennemgået DWDM-filtrene, fotonparrenes polarisering og kvantetilstande var uændrede.

Zhang et al. karakteriserede derefter kvaliteten af ​​den bifotontilstand, der blev genereret i eksperimentet. For det, de valgte fem par frekvenskanaler, der blev brugt i undersøgelsen til at generere signal- og tomgangsfotoner, at teste systemets stabilitet. De målte to-foton-sammenfaldene mellem forskellige kombinationer af signal- og tomgangskanaler og viste, at krydstalen var ubetydelig for de fleste frekvenskanaler. Efter at have beregnet den maksimale polarisations-sammenfiltrede Bell-tilstand, de bekræftede eksistensen af ​​sammenfiltring og high fidelity af bifotontilstanden. De krediterede den høje coincidence-to-accidental ratio (CAR) observeret til den ultralave ikke-lineære støj i opsætningen; nødvendigt for at generere multifotonsammenfiltring til yderligere kvanteinformationsapplikationer.

For fuldstændig karakterisering, forskerne udførte kvantetilstandstomografi for at rekonstruere den eksperimentelle tilstandsdensitetsmatrixarkitektur ved at gennemføre flere målinger af den relevante kvantetilstand. Resultaterne bekræftede, at de genererede bifoton kvantetilstande er af høj kvalitet for at nærme sig de ideelle maksimalt sammenfiltrede tilstande.

Forskerne genererede derefter bekvemt multifoton-sammenfiltrede tilstande ved at multiplekse bifotontilstandene i forskellige frekvenskanaler. De opnåede en firedobbelt sammenfaldshastighed og viste den observerede fire-foton-tilstand som tensorproduktet af to bifoton-sammenfiltrede Bell-tilstande. De fire-foton interferensmønstre stemte overens med den teoretiske forudsigelse, at udfolde sig anderledes end de tidligere observerede bifoton sammenfiltrede tilstande. Baseret på resultaterne af et klart interferensmønster og høj interferenssynlighed, Zhang et al. verificeret gennemførligheden af ​​den eksperimentelle teknik til at etablere on-chip multifoton kvantetilstande. Som før, forskerne opnåede kvantetilstandstomografi af fire-foton kvantetilstande for at rekonstruere tæthedsmatricen, giver tilfredsstillende resultater for yderligere kvanteinformationsapplikationer.

På denne måde videnskabsmændene demonstrerede eksperimentelt genereringen af ​​fire-foton kvantetilstande ved hjælp af en silicium nanofotonisk spiralbølgeleder. Zhang et al. sigte på at forbedre effektiviteten af ​​fotonopsamlingen for at øge antallet af sammenfiltrede fotoner i systemet i fremtiden. Multifoton-kvantetilstandskilden, der er udviklet i undersøgelsen, er kompatibel med moderne fiber- og chip-skalaarkitekturer til produktion i stor skala. Zhang et al. foreslå derfor integration af de attraktive funktioner som en skalerbar og praktisk platform for fremtidige kvantebehandlingsapplikationer.

© 2019 Science X Network