In een recente studie die nu is gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , Ming Zhang, Lan-Tian Feng en een interdisciplinair team van onderzoekers van de afdelingen kwantuminformatie, kwantumfysica en moderne optische instrumentatie in China, gedetailleerde een nieuwe techniek om foton-paren te genereren voor gebruik in kwantumapparaten. In de studie, ze gebruikten een methode die bekend staat als viergolfmenging om drie elektromagnetische velden te laten interageren en een vierde veld te produceren. Het team creëerde de kwantumtoestanden in een silicium nanofotonische spiraalvormige golfgeleider om heldere, afstembaar, stabiele en schaalbare multifoton-kwantumtoestanden. De technologie is vergelijkbaar met de bestaande productieprocessen voor vezels en geïntegreerde schakelingen om de weg vrij te maken voor het ontwikkelen van een reeks nieuwe generatie fotonische kwantumtechnologieën voor toepassingen in kwantumcommunicatie, berekening en beeldvorming. De multifoton-kwantumbronnen die in het werk worden beschreven, zullen een cruciale rol spelen om het bestaande begrip van kwantuminformatie te verbeteren.

De wetenschappers genereerden multifoton-kwantumtoestanden met behulp van een nanofoton-golfgeleider met één silicium en detecteerden vier-fotontoestanden met een laag pompvermogen van 600 W om experimentele multifoton-kwantuminterferentie te bereiken, geverifieerd met kwantumtoestandtomografie. Zhang en Feng et al. registreerde de kwantuminterferentiezichtbaarheid op een waarde van meer dan 95 procent met hoge betrouwbaarheid. De multifoton-kwantumbron is volledig compatibel met on-chip-processen van kwantummanipulatie en kwantumdetectie om grootschalige kwantumfotonische geïntegreerde schakelingen (QPIC's) te vormen. Het werk heeft een aanzienlijk potentieel voor multifoton-kwantumonderzoek.

Multifoton-kwantumbronnen zijn van cruciaal belang om verschillende praktische platforms voor kwantumcommunicatie te bouwen, berekening, simulatie en metrologie. Natuurkundigen hebben grote inspanningen geleverd om een ​​hoge kwaliteit, heldere en schaalbare multifoton-kwantumtoestanden in eerder werk, om krachtige kwantumtechnologieën te activeren door verschillende bifotonbronnen te multiplexen om verstrengeling van acht fotonen en tien fotonen te genereren. Echter, de werkzaamheid van dergelijke multiplexsystemen nam af met het aantal verstrengelde fotonen. Momenteel, kwantumfotonische geïntegreerde schakelingen (QPCI's) en silicium-op-isolator (SOI)-technologie blijven veelbelovend om hoogwaardige foton-paarbronnen te realiseren.

Silicium heeft verschillende voordelen als substraat om QPIC's te implementeren, waaronder derde-orde optische niet-lineariteit van het materiaal en ultrahoge brekingsindexcontrast voor toepassingen als SOI nanofotonische golfgeleiders. Silicium is ook compatibel met complementaire metaaloxide-halfgeleiderprocessen (CMOS), wat aantrekkelijk is voor grootschalige fotonische integratie. Hoewel deze voordelen natuurkundigen in staat hebben gesteld om experimenteel biphoton-kwantumbronnen te realiseren, multifoton-kwantumtoestanden op silicium moeten nog worden gegenereerd en gerapporteerd.

In het huidige werk, Zhang et al. genereerde vier-fotonpolarisatie die kwantumtoestanden codeert met behulp van gedegenereerde spontane viergolfmenging (SFWM) in een siliciumspiraalgolfgeleider. De wetenschappers demonstreerden voor het eerst biphoton Bell-kwantumtoestanden met hoge helderheid (270 kHz) en een hoge coïncidentie tot accidentele verhouding (CAR, ongeveer 230) bij een laag pompvermogen (120 µW). Daarna, met behulp van de twee biphoton Bell verstrengelde toestanden, Zhang et al. genereerden de kwantumtoestand van vier fotonen (met een pompvermogen van slechts 600 W). De wetenschappers projecteerden deze kwantumproducttoestand om een ​​Greenberger-Horne-Zeilinger (GHz) toestand te vormen (d.w.z. een toestand in de kwantuminformatietheorie met ten minste drie subsystemen of deeltjes) met een waarschijnlijkheid van 50 procent voor verder gebruik in kwantuminformatietoepassingen.

Zhang et al. construeerde de experimentele opstelling in drie delen om de (1) pomp-lasermodulator te bevatten, (2) de fotonbron en (3) de toestandanalysator. In de pomp-lasermodulator introduceerden ze als pompbron een lineair gepolariseerde puls-erbium-gedoteerde fiberlaser met een herhalingsfrequentie van 100 MHz en een pulsduur van 90 femtoseconden (fs). De wetenschappers coördineerden het pomplicht om door een 100 GHz-bandbreedtevoorfilter te gaan, gevolgd door een polarisatiecontroller (PC) en een optische circulator om uiteindelijk in de fotonbron te koppelen. Ze berekenden de coherentietijd van het pulslaserlicht op 20 picoseconden (ps) nadat ze door het 100 GHz-bandbreedtevoorfilter waren gegaan en het voortplantingsverlies in de siliciumspiraalvormige golfgeleider was ongeveer 1 dB/cm.

Vergeleken met multifoton-kwantumtoestanden die zijn voorgesteld met eerdere Spontaneous Four Wave Mixing (SFWM) -processen, het huidige werk gebruikte een silicium nanodraadbron met bijna nul breedbanddispersie. De experimentele opstelling met de silicium nanodraad vertoonde geen Raman-verstrooiingsruis, wat daarom het aantal gegenereerde fotonparen aanzienlijk verhoogde. In tegenstelling tot microresonatoren, Zhang et al. hoefden de operatiegolflengte in de experimentele opstelling niet af te stemmen, omdat ze in plaats daarvan silicium spiraalvormige golfgeleiders gebruikten. De wetenschappers gebruikten roosterkoppelingen om het pomplicht in te koppelen en de gegenereerde fotonparen in de opstelling uit te koppelen. Als onderdeel van de fotonenbron, Zhang et al. gebruikte een configuratie met een Sagnac-interferometer - een populair en zelfgestabiliseerd schema om polarisatie-verstrengelde toestanden te genereren.

De experimentele Sagnac-interferometer bevatte twee halfgolfplaten (HWP's), twee kwartgolfplaten (QWP's), een polarization beam splitter (PBS) en de silicium spiraalvormige golfgeleider met een lengte van ongeveer 1 cm om een ​​eenvoudige structuur en compacte voetafdruk te vormen (170 x 170 µm ² ). De wetenschappers gebruikten de gecombineerde HWP en QWP tussen de PBS en de chip om de optische polarisatie te regelen en de koppelingsefficiëntie van een fotonenpaar te maximaliseren. In het experiment, de op de chip gegenereerde fotonparen (stationair en signaalfotonen) zouden in beide richtingen (met de klok mee en tegen de klok in) op elkaar kunnen worden gesuperponeerd voor uitvoer van de Sagnac-lus. Op dit punt, de wetenschappers gebruikten een dichte golflengte-verdeling-multiplexing (DWDM) filter (glasvezeltransmissietechniek) om het signaal en de inactieve fotonen te scheiden, of demultiplex ze. Ze waren dus in staat om de fotonparen van elk gecombineerd frequentiekanaal vrij te selecteren via frequentie-ontstemming. De wetenschappers merkten op dat na het doorlopen van de DWDM-filters, de polarisatie- en kwantumtoestanden van de fotonparen waren onveranderd.

Zhang et al. karakteriseerde vervolgens de kwaliteit van de biphoton-toestand die in het experiment werd gegenereerd. Voor deze, ze selecteerden vijf paar frequentiekanalen die in het onderzoek werden gebruikt om het signaal en de vrije fotonen te genereren, om de stabiliteit van het systeem te testen. Ze maten de toevalligheden van twee fotonen tussen verschillende combinaties van signaal- en idler-kanalen en toonden aan dat de overspraak verwaarloosbaar was voor de meeste frequentiekanalen. Na het berekenen van de maximale polarisatie-verstrengelde Bell-toestand, ze bevestigden het bestaan ​​van verstrengeling en hoge betrouwbaarheid van de biphoton-staat. Ze schreven de hoge toeval-tot-toevallige verhouding (CAR) die werd waargenomen toe aan de ultralage niet-lineaire ruis in de opstelling; nodig om multifoton-verstrengeling te genereren voor verdere toepassingen van kwantuminformatie.

Voor een volledige karakterisering, de wetenschappers voerden kwantumtoestandtomografie uit om de experimentele toestandsdichtheidsmatrixarchitectuur te reconstrueren door meerdere metingen van de relevante kwantumtoestand te voltooien. De resultaten bevestigden dat de gegenereerde bifoton-kwantumtoestanden van hoge kwaliteit zijn om de ideale maximaal verstrengelde toestanden te benaderen.

De wetenschappers genereerden vervolgens gemakkelijk multifoton-verstrengelde toestanden door de biphoton-toestanden in verschillende frequentiekanalen te multiplexen. Ze verkregen een viervoudige coïncidentiesnelheid en toonden de waargenomen vier-fotontoestand als het tensorproduct van twee bifoton-verstrengelde Bell-toestanden. De vier-fotoninterferentiepatronen kwamen overeen met de theoretische voorspelling, om zich anders te ontvouwen dan de eerder waargenomen biphoton-verstrengelde toestanden. Op basis van de uitkomsten van een duidelijk interferentiepatroon en hoge interferentiezichtbaarheid, Zhang et al. verifieerde de haalbaarheid van de experimentele techniek om multifoton-kwantumtoestanden op de chip vast te stellen. Zoals eerder, de wetenschappers verkregen kwantumtoestandtomografie van de vier-foton kwantumtoestanden om de dichtheidsmatrix te reconstrueren, wat bevredigende resultaten oplevert voor verdere toepassingen van kwantuminformatie.

Op deze manier, de wetenschappers demonstreerden experimenteel het genereren van vier-foton kwantumtoestanden met behulp van een silicium nanofotonische spiraalvormige golfgeleider. Zhang et al. doel om de efficiëntie van het verzamelen van fotonen te verbeteren om het aantal verstrengelde fotonen in het systeem in de toekomst te vergroten. De multifoton-kwantumtoestandsbron die in het onderzoek is ontwikkeld, is compatibel met hedendaagse vezel- en chipschaalarchitecturen voor grootschalige productie. Zhang et al. stellen daarom de integratie van de aantrekkelijke functies voor als een schaalbaar en praktisch platform voor toekomstige kwantumverwerkingstoepassingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk