Présentation de l'appareil. (A) Schéma du dispositif à micro-anneau montrant le résonateur, canal latéral, microchauffeur (bleu), et modes de diffusion. (B) Image au microscope optique de l'appareil. (C) Illustration du processus SFWM intra-résonateur, montrant les décalages de fréquence ΔSPM et ΔXPM associés à l'automodulation et à la modulation de phase croisée (SPM et XPM, respectivement). (D) Spectre de transmission représentatif du dispositif de micro-anneau, montrant trois résonances surcouplées près de 1550 nm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Les scientifiques peuvent générer de la lumière comprimée via un mélange spontané à quatre ondes fortement entraîné en dessous du seuil dans des résonateurs à micro-anneaux en nitrure de silicium. La lumière générée peut être caractérisée par une détection homodyne (pour extraire des informations codées en phase ou en fréquence) et par des mesures directes de statistiques photoniques. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , V.D. Vaidya, et une équipe de scientifiques au Canada et aux États-Unis a mesuré la différence de vide compressé en quadrature et de nombre de photons générée dans un dispositif nanophotonique intégré. Les résultats auront un impact sur les applications de la technologie quantique.
Le concept de lumière comprimée est pertinent dans le traitement optique quantique, où les architectures associées de la photonique variable continue exigent une haute qualité, dispositifs évolutifs pour générer de la lumière comprimée pour de nombreuses applications fondamentales de traitement de l'information quantique photonique. Les exemples incluent le calcul quantique à variable continue (CV) et l'échantillonnage des bosons gaussiens, qui est une voie prometteuse pour obtenir un avantage quantique quasi thermique et accueillir une gamme de concepts intrigants, incluant des simulations de spectre vibronique moléculaire, isomorphisme de graphes, correspondances parfaites et similitude des graphes.
Lumière comprimée pour le traitement optique quantique
La plupart de ces applications quantiques nécessitent une source évolutive de lumière comprimée pour mettre en œuvre et améliorer la détection optique près de la limite quantique. La photonique intégrée est une plate-forme naturelle pour explorer ces sources de lumière comprimées évolutives, où la stabilité et la capacité de fabrication à haut débit offertes par les méthodes lithographiques modernes (modélisation) présentent des voies prometteuses pour réaliser des technologies quantiques utiles à grande échelle. Cependant, les progrès à ce jour sur la compression intégrée à la puce sont limités. Dans la présente étude, donc, Vaidya et al. utilisé le mélange spontané à quatre ondes (SWFM) dans des résonateurs à micro-anneaux en nitrure de silicium pour fournir une technologie facilement accessible et mature sur des plates-formes de fabrication commerciales.
Serrage en quadrature. (A) Vue d'ensemble de la configuration expérimentale. Détails dans le texte principal et les documents supplémentaires. WDM, composants de multiplexage par répartition en longueur d'onde. LO, oscillateur local; EDFA, amplificateur à fibre dopée à l'erbium; PLL, boucle à verrouillage de phase; VOA, atténuateur optique variable; ordinateur, contrôleur de polarisation; PID, proportionnel-intégral-dérivé. (B) Variance en quadrature (ligne noire) par rapport au bruit de grenaille (ligne grise) en fonction du temps, tandis que la phase de l'oscillateur local est augmentée, présentant 1,0 (1) dB de compression. Les traces sont obtenues à partir des fluctuations du photocourant du détecteur homodyne surveillées sur un analyseur de spectre électrique en mode zéro à une fréquence de bande latérale de 20 MHz, avec une bande passante de résolution de 1 MHz et une bande passante vidéo de 300 Hz. (C) Variations de quadrature maximale et minimale en fonction de la puissance de pompage pour la bande latérale 20 MHz, montrant la mise à l'échelle de la puissance des quadratures comprimées et anti-compressées. Les lignes pointillées supérieure et inférieure sont obtenues par ajustement à l'équation dérivée de l'étude ; le niveau de bruit de tir est affiché (ligne pointillée à 0 db). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Le dispositif expérimental lui-même avait des dimensions simples, où la compression de la différence de quadrature et de nombre de photons pourrait être générée dans le nitrure de silicium (Si
Serrage en quadrature - l'expérience
L'équipe a caractérisé l'état quantique de la sortie du résonateur comme un état de vide comprimé à deux modes soumis à une perte, où la perte résultait de l'efficacité d'échappement imparfaite de la cavité et des pertes en aval au point de couplage de la puce. Les scientifiques ont compris cet état comme le produit de deux états compressés monomodes :chacun ayant un support de fréquence à la fois au niveau des résonances du signal et du ralenti. Vaidya et al. mesuré les variances en quadrature des modes d'intérêt en utilisant une détection homodyne équilibrée, une méthode qui a permis l'extraction d'informations codées comme la phase ou la fréquence d'un signal oscillant.
Spectre de fréquence de compression et d'anti-compression de 20 MHz à 1 GHz à différents niveaux de puissance de pompe. Les puissances répertoriées sont des valeurs inférées sur la puce dans le guide d'ondes d'entrée. La ligne pointillée est le niveau de bruit de tir ; les lignes pleines présentent des ajustements au modèle théorique, montrant un fort accord avec les données mesurées. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Compression de la différence de nombre de photons. (A) Vue d'ensemble de la configuration expérimentale. Détails dans le texte principal et les documents supplémentaires. (B) Variance mesurée de la différence de nombre de photons VΔn en fonction du nombre moyen de photons ntot, obtenu en faisant varier la puissance de la pompe, pour les états cohérents (gris) et les états compressés (noir) avec ajustements linéaires (traits pleins). La pente réduite pour l'état compressé représente la compression de la différence de nombre de photons. Encart :rapport entre la variance de la différence de nombre et le nombre moyen de photons en fonction du nombre moyen de photons pour les états cohérents (gris) et comprimés (noir). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba9186
Au cours de l'expérimentation, l'équipe a couplé une pompe à onde continue dans la puce pour extraire la lumière via des coupleurs de bord à faible perte. La pompe a excité une seule résonance du micro-anneau dans la puce pour générer de la lumière sur plusieurs paires de signaux et d'oisifs. L'équipe a sélectionné une telle paire de modes de signal et de ralenti avec des filtres de longueur d'onde hors puce pour analyse. Ils ont ensuite produit un oscillateur local bichromatique et l'ont combiné avec le signal et la lumière libre sur un séparateur de faisceau à fibre accordable. Sur la base des résultats, les scientifiques ont estimé qu'environ 4 dB de compression étaient disponibles à la sortie de surveillance sur puce, et obtenu une compression à large bande, limité par les largeurs de ligne de résonance. Cependant, mis à part les pertes et les limitations de puissance de pompage la présence de bruits de lumière trop limités. Pour éviter l'écrasement de la lumière corrompue dans les appareils, donc, l'équipe a évalué la présence de bruit excessif dans le système, dans la bande de compression et proposé d'autres étapes d'optimisation pour améliorer la précision et mieux évaluer l'effet.
Corrélations de nombre de photons
Bien que les mesures homodynes aient évalué avec précision la compression en quadrature, l'équipe a également vérifié la compatibilité d'une source lumineuse comprimée avec le comptage de photons. Les scientifiques ont effectué une détection par résolution de nombres sur la sortie de l'appareil, pour cette expérience, ils ont utilisé un résonateur à micro-anneau avec une section transversale plus large. Vaidya et al. puis séparé le signal et l'oisif générés dans la configuration et les a filtrés via des composants de multiplexage par répartition en longueur d'onde. Ils ont ensuite couplé la sortie à des capteurs de bord de transition à résolution de nombre de photons supraconducteurs (TES) pour fournir une résolution de nombre de photons à environ 10 photons par canal. Les scientifiques ont enregistré une caractéristique notable dans le travail, où ils ont détecté un taux élevé d'événements multiphotoniques corrélés. Les résultats ont montré la génération d'« états à plusieurs photons » dans une plate-forme nanophotonique à des taux beaucoup plus élevés pour motiver le développement d'applications nécessitant des sources lumineuses comprimées.
De cette façon, V. D. Vaidya et ses collègues ont généré des états de compression temporels presque uniques sans effets techniques spéciaux en raison de la nature résonnante de la configuration. Les pertes étaient le principal facteur limitant de la performance, qui peut être amélioré pour obtenir des facteurs de qualité de résonateur plus élevés pour de meilleurs effets de compression de lumière. L'équipe propose d'améliorer le rapport signal sur bruit pour améliorer l'efficacité de la production en réduisant la quantité d'énergie requise pour fonctionner au niveau de compression souhaité. Cela réduira également le nombre de photons générés en raison de la diffusion Raman spontanée dans les composants de la fibre constituant le dispositif. Des précautions doivent être prises lors de la suppression du bruit pour éviter de supprimer le schéma expérimental. L'équipe formera naturellement les prochaines étapes pour concevoir des sources de lumière comprimées intégrées à la puce.
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