Natuurkundigen stellen zich voor dat de toekomst van kwantumberekeningsnetwerken schaalbare, monolithische circuits, waaronder geavanceerde functionaliteiten op één fysiek substraat. Hoewel er al aanzienlijke vooruitgang is geboekt voor een verscheidenheid aan toepassingen op verschillende platforms, het bereik van verschillende fotonische toestanden die on demand op een enkele chip kunnen worden gemanipuleerd, blijft beperkt. Dit wordt specifiek waargenomen voor dynamisch tijdbeheer in kwantumapparaten.

In een recente studie, nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Kai-Hong Luo en collega's demonstreren een elektro-optisch apparaat, die dynamische functionaliteiten van het genereren van fotonenparen omvatte, propagatie en elektro-optische padroutering. Het apparaat bevatte een spanningsregelbare tijdvertraging van ongeveer 12 picoseconden op een enkele Ti:LiNbO ₃ (titanium geïndiffundeerde lithiumniobaat) golfgeleiderchip.

Als een proof-of-principle, de natuurkundigen van de interdisciplinaire afdeling natuurkunde, opto-elektronica en fotonica demonstreerden de Hong-Ou-Mandel-interferentie met een zichtbaarheid van meer dan 93 ± 1,8 procent. De chip ontwikkeld door Luo et al. in de studie stond opzettelijke manipulatie van fotonische toestanden toe door de polarisatie te roteren. Experimenten toonden aan dat de natuurkundigen volledige, flexibele controle over operaties met één qubit door het volledige potentieel van snelle elektro-optische modulatie op de chip te benutten.

In het afgelopen decennium, een reeks materialen is gebruikt om optische circuits voor kwantumpoorten te ontwikkelen, kwantuminterferentie, kwantummetrologie, bosonbemonstering en kwantumwandelingen. Deze circuits zijn ontwikkeld op materialen zoals glas, siliciumnitride, silicium op isolator en silica op silicium. In vergelijking, de ontwikkeling van geïntegreerde fotonische apparaten op basis van niet-lineariteiten van de tweede orde is traag gebleven, ondanks de efficiëntie van het exploiteren van de X ⁽²⁾ niet-lineariteiten. Zelfs met het succes van afstembare koppelaars en spanningsgestuurde faseverschuivers, het volledige potentieel van snelle actieve elektro-optische routering en rotatie van gepolariseerde fotonen in kwantumcircuits moet nog worden benut.

Het doel van Luo et al. was om opzettelijke manipulatie van fotonische toestanden te demonstreren via nauwkeurige polarisatie en tijdregeling op een enkel kwantumcircuitapparaat. Voor deze, ze richtten zich op Hong-Ou-Mandel (HOM) interferenties, een van de meest fundamentele niet-klassieke experimenten in de kwantumoptica. HOM vormt de kern van veel kwantumlogische bewerkingen zoals boson-sampling, Bell-state meting voor kwantumrepeaters en de Knill, Laflamme en Milburn-protocol voor kwantumcomputers. Hoe dan ook, er is nog geen praktische aanpak gemaakt op een geïntegreerde chip om alle functionaliteiten te bevatten, en met de mogelijkheid om kwantumtoestanden op aanvraag te manipuleren in het volledige HOM-experiment.

In de huidige studie, Luo et al. bood een geïntegreerd elektro-optisch circuitontwerp dat meerdere bewerkingen op een enkele Ti:LiNbO . kon realiseren ₃ golfgeleiderchip. De geïntegreerde operaties omvatten:

1. Foton paar staat generatie
2. Passieve routering
3. Snelle actieve polarisatie voor qubit-manipulatie
4. Elektro-optisch gebalanceerd schakelen
5. Variabel tijdvertragingsbeheer.

Voor alle kwantumlogische bewerkingen, temporele synchronisatie van een gemanipuleerde staat is een fundamentele eis. Als resultaat, snelle en elektro-optisch controleerbare on-chip tijdvertragingen zijn cruciale insluitsels voor alle kwantumtoepassingen.

Het HOM-effect kan experimenteel worden geproduceerd door een bundelsplitser (BS). Tijdens de uitwerking, twee identieke fotonen die een bundelsplitser binnenkomen vanuit tegenovergestelde ingangspoorten, klonteren samen en verlaten dezelfde uitgangspoort. Om dit kwantumeffect aan te tonen in een optisch HOM-experiment, de natuurkundigen genereerden fotonparen (signaal- en idler-fotonen), en vervolgens ruimtelijk gescheiden met een polarisatiebundelsplitser (PBS). Na polarisatierotatie en het introduceren van een variabele tijdsvertraging tussen de fotonen, ze werden opnieuw gecombineerd bij een symmetrische bundelsplitser (BS) waar kwantuminterferentie plaatsvond. Voor de fabricage van monolithische circuits, de natuurkundigen gebruikten de Ti:LiNbO ₃ platform, die de sterke X . uitbuitte ⁽²⁾ niet-lineariteit tijdens het genereren van fotonenparen en elektro-optische manipulatie van de qubits.

Luo et al. introduceerde vervolgens het concept van dubbelbrekende elektro-optische vertraging (BED) om een ​​intrinsieke dubbelbrekende (dubbele breking van licht) vertraging in het niet-lineaire medium te overwinnen. De methode maakte gebruik van de elektro-optische polarisatieconversie en dubbele breking van het materiaal zelf om nauwkeurige tijdregeling op de chip mogelijk te maken.

Het complexe circuitontwerp bevatte verschillende componenten die al als afzonderlijke apparaten waren geoptimaliseerd, de wetenschappers vervaardigden de golfgeleiders door Ti-indiffusie voor single-mode geleiding in beide polarisaties. belangrijk, in het monolithische on-chip elektro-optische apparaat, de relatieve vertraging tussen het signaal en de idler-fotonen vereiste aanpassing via de gesegmenteerde polarisatiecontroller. Een ander belangrijk criterium was de lengte van het gehele apparaat, die zo kort mogelijk moest worden gehouden om homogene structuren te fabriceren.

De wetenschappers genereerden fotonparen in de parametrische neerwaartse conversie (PDC) -sectie (een niet-lineair direct optisch proces dat één foton met hogere energie omzet in een paar fotonen), die de Ti-geïndiffundeerde single-mode golfgeleider bevatte. Voor de HOM-chip was het essentieel dat de gegenereerde fotonparen gedegenereerd waren. Het degeneratiepunt kan worden afgesteld door de temperatuur te variëren, met een afstemhelling van ongeveer – 0,15 nm/ ⁰ C. Het apparaat bevatte een specifiek ontworpen directionele koppelaar om te fungeren als een polarisatiebundelsplitser (PBS) om de orthogonaal gepolariseerde fotonen ruimtelijk te scheiden.

Sleutelelementen van het BED-systeem ontwikkeld door Luo et al. inclusief elektro-optische polarisatieconverters (pc's). Deze converters bevatten een periodiek gepoolde golfgeleider, met elektroden aan elke kant. In het geïllustreerde circuitontwerp van de geïntegreerde kwantum optische chip, de natuurkundigen plaatsten de eerste pc (PC ₀ ) direct achter het PDC-gedeelte. Dit werd gevolgd door een gesegmenteerde pc ₁₀ (PC) ₁ naar pc ₁₀ ; met 10 elektro-optische elementen) in één tak, na het gebied van de polarisatiebundelsplitser (PBS). De bundelsplitser (BS), bevatte twee golfgeleiders gescheiden door een opening van 6 µm breed.

De wetenschappers illustreerden het werkingsprincipe van het instelbare BED-systeem om te laten zien hoe het berekende groepsindexverschil ∆n _G veroorzaakte een tijdelijke wegloop tussen een paar fotonen. Afhankelijk van de aan/uit-status van de pc ₀ , de polarisatietoestanden (horizontaal of verticaal) van het fotonpaar blijven ofwel ongewijzigd of verwisseld om ruimtelijk te scheiden bij de PBS om het HOM-effect aan te tonen.

Wanneer pc ₀ werd ingeschakeld, polarisaties van het fotonpaar verwisseld om gelijktijdig bij de gesegmenteerde pc aan te komen (met 10 elektro-optische segmenten:pc ₁ naar pc ₁₀ ). De wetenschappers toonden aan hoe de gelijktijdige aankomst van twee fotonen bij de bundelsplitser (BS) experimenteel kon worden bereikt. Luo et al. toonde ook aan dat de relatieve tijdsvertraging tussen de twee fotonen bij de invoerpoorten van de bundelsplitser fijn kon worden aangepast tussen ~ 1,3 ps tot meer dan 12 ps voor dynamisch tijdbeheer op het apparaat.

De wetenschappers implementeerden de voorgestelde meetopstelling van het hele kwantumexperiment in het laboratorium door een externe pomp op te nemen, glasvezelfilters en detectie-units. Om te bevestigen dat twee-fotoninterferentie van de studie in het kwantumregime voor twee perfect identieke fotonen is, de coïncidentietellingssnelheden (gebruikt om kwantumverstrengeling te testen) tussen de twee gedetecteerde golfgeleideruitgangen zouden naar nul moeten dalen. Aanvullend, om kwantuminterferentie te bewijzen, de daling (dip) van toevalligheden zou een zichtbaarheid moeten hebben die verder gaat dan de klassiek verwachte waarde van 50 procent. Luo et al. berekende de zichtbaarheid van de HOM-interferentie op 93,5 ± 1,8 procent, een waarde die aanzienlijk hoger is dan de klassieke limiet, het verifiëren van de kwantumaard van de on-chip twee-fotoninterferentie.

Op deze manier, de natuurkundigen demonstreerden ruimschoots een kwantumelektro-optische schakeling die actief fotontoestanden kon manipuleren voor instelbaar tijdbeheer binnen een monolithisch geïntegreerd apparaat. Ze gebruikten een twee-foton HOM-chip met een bron van fotonparen voor actieve polarisatiemanipulatie. Het werk creëert een nieuwe benadering voor geïntegreerde elektro-optische circuits en opent een deur om het enorme potentieel van qubit-manipulatie in Ti:LiNbO te benutten _3, voor kwantumtoepassingen. Het apparaat maakt de weg vrij voor toekomstige kwantumlogische bewerkingen, hyperverstrengeling en ultrasnelle verwerking gezien met glasvezel, maar zelden gebruikt in kwantumoptica.

© 2019 Wetenschap X Netwerk