Un schéma de principe d'un circuit quantique compact miniaturisé avec une manipulation active et précise dans des guides d'ondes LiNbO3. (A) Effet de regroupement HOM de photons indiscernables dans un séparateur de faisceau (BS). (B) Schémas d'une expérience HOM typique utilisant des composants optiques en vrac. Toutes les fonctionnalités de la case jaune sont intégrées à la puce. (C) Schéma de la puce optique quantique intégrée avec source PDC (parametric down conversion) intégrée monolithiquement, convertisseurs de polarisation électro-optique (PC), séparateur de faisceau de polarisation (PBS), et séparateur de faisceau (BS). Les lignes grises désignent les guides d'ondes indiffusés par Ti. Dans la section PDC périodiquement polarisée, des paires de photons polarisés orthogonalement (H et V) sont générées. Dans le PC0 suivant, la conversion complète change l'état de polarisation des deux photons de l'horizontale (H) à la verticale (V) et vice versa en appliquant les tensions de commande U0. Ces photons sont séparés spatialement par le PBS. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Les physiciens envisagent que l'avenir des réseaux de calcul quantique contiendra des circuits monolithiques, qui incluent des fonctionnalités avancées sur un seul substrat physique. Bien que des progrès substantiels aient déjà été réalisés pour une variété d'applications sur différentes plates-formes, la gamme des divers états photoniques manipulables à la demande sur une seule puce reste limitée. Ceci est particulièrement observé pour la gestion dynamique du temps dans les dispositifs quantiques.
Dans une étude récente, maintenant publié dans Avancées scientifiques , Kai-Hong Luo et ses collègues font la démonstration d'un appareil électro-optique, qui comprenait des fonctionnalités dynamiques de génération de paires de photons, propagation et routage de chemin électro-optique. L'appareil contenait une temporisation contrôlable en tension d'environ 12 picosecondes sur un seul Ti:LiNbO
Comme preuve de principe, les physiciens du département interdisciplinaire de physique, l'optoélectronique et la photonique ont démontré l'interférence de Hong-Ou-Mandel avec une visibilité de plus de 93 ± 1,8 %. La puce développée par Luo et al. dans l'étude a permis une manipulation délibérée des états photoniques en faisant tourner la polarisation. Des expériences ont révélé que les physiciens pouvaient exercer pleinement, contrôle flexible sur les opérations à qubit unique en exploitant le potentiel complet de la modulation électro-optique rapide sur puce.
Dans la dernière décennie, une gamme de matériaux a été utilisée pour développer des circuits optiques pour portes quantiques, interférence quantique, métrologie quantique, échantillonnage de bosons et marches quantiques. Ces circuits ont été développés sur des matériaux dont le verre, nitrure de silicium, silicium sur isolant et silice sur silicium. En comparaison, le développement de dispositifs photoniques intégrés basés sur des non-linéarités du second ordre est resté lent, malgré l'efficacité d'exploitation du X (2) non-linéarités. Même avec le succès des coupleurs accordables et des déphaseurs commandés en tension, le plein potentiel du routage électro-optique rapide et actif et de la rotation des photons polarisés dans les circuits quantiques reste à exploiter.
Illustration schématique de l'effet de regroupement HOM de photons indiscernables dans un séparateur de faisceau. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Le but de Luo et al. était de démontrer une manipulation délibérée des états photoniques via une polarisation précise et une régulation temporelle sur un seul dispositif de circuit quantique. Pour ça, ils se sont concentrés sur les interférences de Hong-Ou-Mandel (HOM), parmi les expériences non classiques les plus fondamentales en optique quantique. HOM est au cœur de nombreuses opérations de logique quantique telles que l'échantillonnage de bosons, Mesure de l'état de cloche pour les répéteurs quantiques et le Knill, Protocole Laflamme et Milburn pour l'informatique quantique. Néanmoins, une approche pratique n'a pas encore été réalisée sur une puce intégrée pour contenir toutes les fonctionnalités, et avec la possibilité de manipuler des états quantiques à la demande dans l'expérience HOM complète.
Dans la présente étude, Luo et al. a offert une conception de circuit électro-optique intégrée qui pourrait réaliser plusieurs opérations sur un seul Ti:LiNbO
Pour toutes les opérations de logique quantique, la synchronisation temporelle d'un état manipulé est une exigence fondamentale. Par conséquent, les retards sur puce rapides et électro-optiquement contrôlables sont des éléments cruciaux pour toutes les applications quantiques.
Panneau supérieur :Illustration schématique de la puce optique quantique intégrée avec inclusions monolithiques d'une source PDC (20,7 mm), PC électro-optiques (7,62 mm), PBS, surligné en vert (4,0 mm), BS surligné en bleu, et un seul élément des convertisseurs segmentés (PC1 à PC10; 2,54 mm chacun). Panneau inférieur :Caractérisation classique du circuit intégré. A) Puissance normalisée de l'onde de seconde harmonique (SH) générée dans la section PDC avec une période de polarisation de ΔPDC =9,04 µm en fonction de la longueur d'onde fondamentale, qui provient d'un laser télécom accordable à bande passante étroite. (B) Caractéristiques de transmission spectrale de PC0 et les différentes combinaisons triples du PC segmenté (avec une période de polarisation de ΔPC =21,4 µm). Les scientifiques ont obtenu les courbes en lançant une lumière incohérente à large bande dans la gamme des télécommunications et en mesurant la puissance non convertie derrière un polariseur. Les courbes sont normalisées à un spectre de transmission de référence obtenu sans conversion. (C) Dépendance à la température des deux processus d'appariement de phase (PDC et PC). Le croisement des deux courbes détermine le point de fonctionnement optimal, qui est à T =43,6°C et =1551,7 nm. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat1451
L'effet HOM peut être produit expérimentalement par un séparateur de faisceau (BS). Pendant l'effet, deux photons identiques qui entrent dans un séparateur de faisceau à partir de ports d'entrée opposés se regroupent et sortent par le même port de sortie. Pour démontrer cet effet quantique dans une expérience optique HOM, les physiciens ont généré des paires de photons (photons de signal et photons libres), puis séparés spatialement avec un séparateur de faisceau de polarisation (PBS). Après rotation de polarisation et introduction d'un délai variable entre les photons, ils ont été recombinés au niveau d'un séparateur de faisceau symétrique (BS) où l'interférence quantique a eu lieu. Pour la fabrication de circuits monolithiques, les physiciens ont utilisé le Ti:LiNbO
Luo et al. a ensuite introduit le concept de délai électro-optique biréfringent (BED) pour surmonter un délai biréfringent intrinsèque (double réfraction de la lumière) dans le milieu non linéaire. La méthode a tiré parti de la conversion de polarisation électro-optique et de la biréfringence du matériau lui-même pour permettre une régulation précise du temps sur puce.
La conception complexe du circuit contenait plusieurs composants différents qui étaient déjà optimisés en tant que dispositifs individuels, les scientifiques ont fabriqué les guides d'ondes par indiffusion de Ti pour un guidage monomode dans les deux polarisations. Surtout, dans le dispositif électro-optique monolithique sur puce, le retard relatif entre le signal et les photons libres nécessitait un réglage via le contrôleur de polarisation segmenté. Un autre critère important était la longueur de l'ensemble de l'appareil, qui devait être aussi court que possible pour fabriquer des structures homogènes.
Illustration du principe de la ligne LIT modulable. (A) Le diagramme montre la conception de la puce avec quelques encarts illustrant la relation temporelle des paquets d'ondes photoniques polarisés horizontalement (rouge) et verticalement (bleu) à différentes positions de la structure et pour diverses configurations des PC. Cas I :Si PC0 est éteint, puis le walk-off temporel augmente le long de la structure. Le délai entre les deux photons peut être varié, selon quel élément du convertisseur segmenté est allumé; cependant, les deux photons n'arriveront jamais simultanément à la BS (l'effet HOM n'est pas observé expérimentalement). Cas II :Si PC0 est allumé, alors le photon initialement polarisé horizontalement peut dépasser l'autre photon avant qu'il n'arrive au PC segmenté. Une arrivée simultanée des deux photons à la BS peut être obtenue si un certain élément du PC segmenté est adressé pour remplir l'effet HOM. (B) Temporisation calculée des photons à la BS en fonction de l'élément du PC segmenté, auquel s'effectue la permutation finale de la polarisation. Le diagramme montre le résultat pour les deux cas d'activation et de désactivation de PC0. La ligne pointillée indique la synchronisation temporelle entre les deux photons polarisés. Les paramètres utilisés pour les calculs sont adaptés à la géométrie du dispositif fabriqué - longueurs de la section PDC (20,7 mm), PC0 (7,62 mm), la section PBS (4,0 mm), et un seul élément des convertisseurs segmentés (2,54 mm). Une différence d'indice de groupe Δng =0,0805 est dérivée des équations de Sellmeier de LiNbO3 (λ =1551,7 nm). Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Les scientifiques ont généré des paires de photons dans la section de down-conversion paramétrique (PDC) (un processus optique instantané non linéaire qui a converti un photon d'énergie plus élevée en une paire de photons), qui contenait le guide d'ondes monomode à diffusion Ti. Pour la puce HOM, il était essentiel que les paires de photons générées soient dégénérées. Le point de dégénérescence peut être réglé en faisant varier la température, avec une pente d'accord se rapprochant de – 0,15 nm/ 0 C. Le dispositif contenait un coupleur directionnel spécialement conçu pour agir comme un séparateur de faisceau de polarisation (PBS) pour séparer spatialement les photons polarisés orthogonalement.
Éléments clés du système BED développé par Luo et al. inclus des convertisseurs de polarisation électro-optique (PC). Ces convertisseurs contenaient un guide d'onde périodiquement polarisé, avec des électrodes de chaque côté. Dans la conception de circuit illustrée de la puce optique quantique intégrée, les physiciens ont placé le premier PC (PC
Montage expérimental et résultats quantiques. (A) Configuration expérimentale pour la caractérisation quantique de la puce HOM active. Un laser de pompe à onde continue à bande étroite accordable autour de 776 nm est couplé dans le canal avec la source PDC. Pour éviter la génération de paires de photons d'ordre supérieur, la puissance de la pompe est maintenue dans la plage de 100 µW. Un contrôleur de température contrôle et stabilise la distribution de température précédemment déterminée de l'échantillon. Les deux ports de sortie de la puce sont directement couplés à une paire de fibres monomodes via des isolateurs à fibre optique pour supprimer la lumière de pompage résiduelle et un filtre passe-bande de 1,2 nm pour supprimer les photons d'arrière-plan, les photons transmis sont détectés avec des détecteurs à nanofils supraconducteurs (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique (TDC). B) Résultats expérimentaux et simulés du taux de coïncidence normalisé en fonction du triple du PC segmenté entraîné. Les données et la courbe bleues sont pour PC0 éteint, tandis que les données et la courbe rouges sont pour PC0 allumé. Dans l'expérience, seuls sept triplets du PC segmenté ont pu être adressés car l'électrode du PC10 était cassée. Par conséquent, seuls 14 retards différents étaient possibles. (C) Profils expérimentaux et simulés de l'immersion HOM dérivés des résultats de coïncidence indiqués en (B) et du délai calculé correspondant. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aat1451
Les scientifiques ont illustré le principe de fonctionnement du système BED réglable pour montrer comment la différence d'indice de groupe calculée n
Lorsque l'ordinateur
Les scientifiques ont mis en œuvre la configuration de mesure proposée de l'ensemble de l'expérience quantique en laboratoire en incluant une pompe externe, filtres à fibre et unités de détection. Pour confirmer que l'interférence à deux photons de l'étude est dans le régime quantique pour deux photons parfaitement identiques, les taux de comptage de coïncidence (utilisés pour tester l'intrication quantique) entre les deux sorties de guide d'ondes détectées devraient tomber à zéro. En outre, prouver l'interférence quantique, la baisse (le creux) des coïncidences devrait avoir une visibilité au-delà de la valeur classiquement attendue de 50 pour cent. Luo et al. a calculé la visibilité de l'interférence HOM à 93,5 ± 1,8 pour cent, une valeur nettement supérieure à la limite classique, vérifier la nature quantique de l'interférence à deux photons sur puce.
De cette façon, les physiciens ont amplement démontré un circuit électro-optique quantique capable de manipuler activement les états des photons pour une gestion du temps réglable au sein d'un dispositif intégré monolithiquement. Ils ont utilisé une puce HOM à deux photons avec une source de paires de photons pour la manipulation active de la polarisation. Le travail crée une nouvelle approche pour les circuits électro-optiques intégrés et ouvre une porte pour exploiter l'énorme potentiel de la manipulation des qubits dans Ti:LiNbO
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