Configuration schématique du système expérimental pour générer et caractériser l'état quantique multiphotonique avec un guide d'onde nanophotonique en silicium. Un laser pulsé à fibre dopée à l'erbium avec un taux de répétition de 100 MHz a été utilisé comme lumière de pompage. Après un VOA et un préfiltre avec une bande passante de 100 GHz, la lumière de pompage a été introduite dans une boucle de Sagnac pour générer l'état quantique de codage de polarisation. Un post-filtre avec une bande passante de 200 GHz a été utilisé pour bloquer la lumière de la pompe. Un filtre DWDM a été utilisé pour démultiplexer les paires de photons dans les canaux de fréquence correspondants, et une architecture normale pour la tomographie d'état de polarisation a été utilisée pour vérifier la qualité des états intriqués. Atténuateur optique variable VOA, HWP demi-onde plate, Séparateur de faisceau de polarisation PBS, Quart d'onde QWP, Contrôleur de polarisation PC, Détecteur monophotonique à nanofil supraconducteur SNSPD. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Dans une étude récente maintenant publiée dans Lumière :science et applications , Ming Zhang, Lan-Tian Feng et une équipe interdisciplinaire de chercheurs des départements d'information quantique, physique quantique et instrumentation optique moderne en Chine, a détaillé une nouvelle technique pour générer des paires de photons à utiliser dans les dispositifs quantiques. Dans l'étude, ils ont utilisé une méthode connue sous le nom de mélange à quatre ondes pour permettre à trois champs électromagnétiques d'interagir et de produire un quatrième champ. L'équipe a créé les états quantiques dans un guide d'ondes en spirale nanophotonique en silicium pour produire des accordable, états quantiques multiphotoniques stables et évolutifs. La technologie est comparable aux processus de fabrication de fibres et de circuits intégrés existants pour ouvrir la voie à la conception d'une gamme de technologies quantiques photoniques de nouvelle génération pour des applications dans la communication quantique, calcul et imagerie. Les sources quantiques multiphotoniques détaillées dans le travail joueront un rôle essentiel pour améliorer la compréhension existante de l'information quantique.
Les scientifiques ont généré des états quantiques multiphotoniques à l'aide d'un guide d'ondes nanophotonique à silicium unique et détecté des états à quatre photons avec une faible puissance de pompe de 600 µW pour obtenir une interférence quantique multiphotonique expérimentale vérifiée par tomographie d'état quantique. Zhang et Feng et al. enregistré les visibilités d'interférence quantique à une valeur supérieure à 95 pour cent avec une haute fidélité. La source quantique multiphotonique est entièrement compatible avec les processus sur puce de manipulation quantique et de détection quantique pour former des circuits intégrés photoniques quantiques à grande échelle (QPIC). Le travail a un potentiel important pour la recherche quantique multiphotonique.
Les sources quantiques multiphotoniques sont essentielles pour construire plusieurs plates-formes pratiques pour la communication quantique, calcul, simulation et métrologie. Les physiciens ont fait de grands efforts pour réaliser une haute qualité, états quantiques multiphotoniques brillants et évolutifs dans des travaux antérieurs, activer de puissantes technologies quantiques en multiplexant plusieurs sources de biphotons pour générer un enchevêtrement de huit photons et de 10 photons. Cependant, l'efficacité de tels systèmes de multiplexage diminuait avec le nombre de photons intriqués. Maintenant, Les circuits intégrés photoniques quantiques (QPCI) et la technologie silicium sur isolant (SOI) restent prometteurs pour réaliser des sources de paires de photons de haute qualité.
Schéma de principe du système expérimental pour générer et caractériser les états quantiques multiphotoniques avec un guide d'onde nanophotonique en silicium. Le montage expérimental contient un (1) modulateur laser à pompe, (2) la source de photons et (3) l'analyseur d'état. Les scientifiques ont utilisé les HWP combinés (plaques demi-onde, rouge) et QWP (plaques quart d'onde, bleu) inséré entre le PBS (séparateur de faisceau de polarisation, vert) et la puce pour contrôler la polarisation optique et maximiser l'efficacité de couplage d'une paire de photons. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Le silicium présente plusieurs avantages en tant que substrat pour mettre en œuvre des QPIC, qui incluent une non-linéarité optique de troisième ordre du matériau et un contraste d'indice de réfraction ultra-élevé pour des applications en tant que guides d'ondes nanophotoniques SOI. Le silicium est également compatible avec les procédés CMOS (complémentaires métal-oxyde-semiconducteur), attrayants pour l'intégration photonique à grande échelle. Si ces avantages ont permis aux physiciens de réaliser expérimentalement des sources quantiques à biphotons, les états quantiques multiphotoniques sur le silicium restent encore à générer et à rapporter.
Dans le travail present, Zhang et al. génération d'une polarisation à quatre photons codant pour des états quantiques à l'aide d'un mélange spontané à quatre ondes dégénéré (SFWM) dans un guide d'ondes en spirale en silicium. Les scientifiques ont d'abord démontré des états quantiques d'intrication de Bell biphoton avec une luminosité élevée (270 kHz) et un rapport coïncidence/accident élevé (CAR, environ 230) à une faible puissance de pompage (120 µW). Après, en utilisant les deux états intriqués du biphoton Bell, Zhang et al ont généré l'état quantique à quatre photons (avec une puissance de pompe aussi faible que 600 µW). Les scientifiques ont projeté cet état de produit quantique pour former un état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHz) (c'est-à-dire un état de la théorie de l'information quantique avec au moins trois sous-systèmes ou particules) avec une probabilité de 50 % pour une utilisation ultérieure dans les applications d'information quantique.
Expérimentez les résultats des coïncidences à deux photons entre différentes combinaisons des cinq paires sélectionnées de canaux inactifs de signal. Ici, la puissance de pompage injectée dans la boucle de Sagnac est de 120 μW. Les coïncidences à deux photons ont été mesurées pour les cinq paires sélectionnées de canaux inactifs de signal. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Zhang et al. construit le dispositif expérimental en trois parties pour contenir le (1) modulateur pompe-laser, (2) la source de photons et (3) l'analyseur d'état. Dans le modulateur laser à pompe, ils ont introduit un laser à fibre dopé à l'erbium à polarisation linéaire comme source de pompe avec une fréquence de répétition de 100 MHz et une durée d'impulsion de 90 femtosecondes (fs). Les scientifiques ont coordonné la lumière de pompage pour passer à travers un pré-filtre de bande passante de 100 GHz, suivi d'un contrôleur de polarisation (PC) et d'un circulateur optique pour finalement se coupler à la source de photons. Ils ont calculé que le temps de cohérence de la lumière laser pulsée était de 20 picosecondes (ps) après avoir traversé le préfiltre à bande passante de 100 GHz et que la perte de propagation dans le guide d'ondes en spirale en silicium était d'environ 1 dB/cm.
Par rapport aux états quantiques multiphotoniques proposés avec les précédents processus de mélange spontané à quatre ondes (SFWM), le présent travail a utilisé une source de nanofils de silicium avec une dispersion à large bande proche de zéro. Le montage expérimental avec le nanofil de silicium n'a pas démontré de bruit de diffusion Raman, ce qui a donc grandement amélioré le nombre de paires de photons générées. Contrairement aux microrésonateurs, Zhang et al. n'ont pas eu besoin d'ajuster la longueur d'onde de fonctionnement dans la configuration expérimentale car ils ont utilisé à la place des guides d'ondes en spirale en silicium. Les scientifiques ont utilisé des coupleurs de réseau pour coupler la lumière de pompage et coupler les paires de photons générées dans la configuration. Dans le cadre de la source de photons, Zhang et al. utilisé une configuration avec un interféromètre de Sagnac - un schéma populaire et auto-stabilisé pour générer des états intriqués en polarisation.
L'interféromètre expérimental de Sagnac contenait deux lames demi-onde (HWP), deux plaques quart d'onde (QWP), un séparateur de faisceau de polarisation (PBS) et le guide d'ondes en spirale en silicium d'une longueur approximative de 1 cm pour former une structure simple et un encombrement compact (170 x 170 µm 2 ). Les scientifiques ont utilisé les HWP et QWP combinés insérés entre le PBS et la puce pour contrôler la polarisation optique et maximiser l'efficacité de couplage d'une paire de photons. Dans l'expérience, les paires de photons générées sur puce (photons libres et de signal) pourraient être superposées dans les deux sens (sens horaire et antihoraire) pour la sortie de la boucle de Sagnac. À ce point, les scientifiques ont utilisé un filtre dense de multiplexage en longueur d'onde (DWDM) (technique de transmission par fibre optique) pour séparer le signal et les photons libres, ou les démultiplexer. Ils ont ainsi pu sélectionner librement les paires de photons de n'importe quel canal de fréquence combiné via un désaccord de fréquence. Les scientifiques ont noté qu'après avoir traversé les filtres DWDM, la polarisation et les états quantiques des paires de photons sont restés inchangés.
Caractérisation des états intriqués de polarisation biphotonique. (a) et (b) sont des coïncidences doubles en fonction de l'angle du polariseur fou lorsque l'angle du polariseur du signal était maintenu à 0° (rouge) et 45° (noir), respectivement. La barre d'erreur a été obtenue à partir de la racine carrée des données expérimentales. (c) et (d) donnent les parties réelle (Re) et imaginaire (Im) de la matrice de densité idéale et la matrice de densité mesurée de l'état intriqué du biphoton à partir des canaux de fréquence ±5, respectivement. La fidélité était de 0.95 ± 0.01, confirmant que l'état quantique biphotonique généré était de haute qualité et très proche des états idéaux d'intrication maximale. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Zhang et al. ont ensuite caractérisé la qualité de l'état biphotonique généré dans l'expérience. Pour ça, ils ont sélectionné cinq paires de canaux de fréquence utilisés dans l'étude pour générer le signal et les photons libres, pour tester la stabilité du système. Ils ont mesuré les coïncidences à deux photons entre différentes combinaisons de canaux de signaux et de canaux libres et ont montré que la diaphonie était négligeable pour la plupart des canaux de fréquence. Après avoir calculé l'état de Bell maximal en polarisation intriquée, ils ont confirmé l'existence de l'intrication et de la haute fidélité de l'état biphotonique. Ils ont attribué le rapport coïncidence-accidentel (CAR) élevé observé au bruit non linéaire ultra-faible dans la configuration ; nécessaire pour générer un enchevêtrement multiphotonique pour d'autres applications d'information quantique.
Pour une caractérisation complète, les scientifiques ont effectué une tomographie d'état quantique pour reconstruire l'architecture expérimentale de la matrice de densité d'état en effectuant plusieurs mesures de l'état quantique pertinent. Les résultats ont confirmé que les états quantiques de biphotons générés sont de haute qualité pour approcher les états idéaux d'intrication maximale.
Caractérisation d'états quantiques à polarisation à quatre photons. (a) et (b) sont des coïncidences quadruples en fonction des angles du polariseur libre lorsque les angles du polariseur du signal étaient maintenus à 0° (rouge) et 45° (noir), respectivement. La barre d'erreur a été obtenue à partir de la racine carrée des données expérimentales. (c) et (d) donnent les parties réelle (Re) et imaginaire (Im) de la matrice de densité idéale et la matrice de densité mesurée des états quantiques à quatre photons, respectivement. La fidélité était de 0,78 ± 0,02, ce qui est tout à fait satisfaisant pour le traitement ultérieur de l'information quantique. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0153-y
Les scientifiques ont ensuite généré de manière pratique des états intriqués de multiphotons en multiplexant les états de biphotons dans différents canaux de fréquence. Ils ont obtenu un taux de coïncidence quadruple et ont montré l'état à quatre photons observé comme le produit tensoriel de deux états de Bell enchevêtrés de biphotons. Les modèles d'interférence à quatre photons étaient en accord avec la prédiction théorique, se dérouler différemment des états intriqués de biphotons précédemment observés. Sur la base des résultats d'un schéma d'interférence clair et de visibilités d'interférence élevées, Zhang et al. vérifié la faisabilité de la technique expérimentale pour établir des états quantiques multiphotoniques sur puce. Comme avant, les scientifiques ont obtenu une tomographie d'état quantique des états quantiques à quatre photons pour reconstruire la matrice de densité, donnant des résultats satisfaisants pour d'autres applications d'information quantique.
De cette façon, les scientifiques ont démontré expérimentalement la génération d'états quantiques à quatre photons à l'aide d'un guide d'ondes en spirale nanophotonique en silicium. Zhang et al. visent à améliorer l'efficacité de la collecte de photons pour augmenter le nombre de photons intriqués dans le système à l'avenir. La source d'état quantique multiphotonique développée dans l'étude est compatible avec les architectures contemporaines à l'échelle des fibres et des puces pour une production à grande échelle. Zhang et al. proposent donc l'intégration des fonctionnalités attrayantes en tant que plate-forme évolutive et pratique pour les futures applications de traitement quantique.
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