Chọn trang

Tóm tắt

Các qubit quang tử phải có thể điều khiển được trên chip và có khả năng chịu nhiễu khi truyền qua mạng quang cho các ứng dụng thực tế. Hơn nữa, các nguồn qubit phải được lập trình và có độ sáng cao để hữu ích cho các thuật toán lượng tử và mang lại khả năng phục hồi tổn thất. Tuy nhiên, các sơ đồ mã hóa phổ biến chỉ kết hợp tối đa hai thuộc tính này. Ở đây, chúng tôi vượt qua rào cản này bằng cách chứng minh một chip quang tử nano silicon có thể lập trình tạo ra các photon vướng víu trong ngăn tần số, một sơ đồ mã hóa tương thích với truyền dẫn tầm xa qua các liên kết quang học. Các trạng thái lượng tử được phát ra có thể được điều khiển bằng cách sử dụng các thành phần viễn thông hiện có, bao gồm các thiết bị hoạt động có thể được tích hợp vào các quang tử silicon. Như một minh chứng, chúng tôi cho thấy chip của chúng tôi có thể được lập trình để tạo ra bốn trạng thái cơ sở tính toán và bốn trạng thái Bell vướng víu tối đa, của một hệ thống hai qubit. Thiết bị của chúng tôi kết hợp tất cả các thuộc tính chính của khả năng cấu hình lại trạng thái trên chip và tích hợp dày đặc trong khi vẫn đảm bảo độ sáng, độ trung thực và độ tinh khiết cao.

 

 

Giới thiệu

Photon đóng vai trò là vật mang thông tin lượng tử tuyệt vời. Chúng có thời gian kết hợp dài ở nhiệt độ phòng và là lựa chọn không thể tránh khỏi để phát thông tin lượng tử trên một khoảng cách dài, trong không gian trống hoặc qua mạng cáp quang. Khởi tạo trạng thái lượng tử là một nhiệm vụ đặc biệt quan trọng đối với các qubit quang tử, vì việc điều chỉnh sự vướng víu sau khi phát xạ là không cần thiết. Các chiến lược khởi tạo phụ thuộc vào mức độ tự do được sử dụng để mã hóa thông tin lượng tử và lựa chọn phổ biến nhất cho truyền thông lượng tử qua các kênh quang là mã hóa ngăn thời gian1. Ở đây, các mức hai qubit bao gồm photon nằm trong một trong các cửa sổ hai thời gian, thường cách nhau vài nano giây. Mã hóa ngăn thời gian cực kỳ linh hoạt đối với các biến động pha do nhiễu nhiệt trong sợi quang, với các qubit duy trì sự gắn kết của chúng thậm chí trong hàng trăm km2,3. Tuy nhiên, việc kiểm soát trạng thái trong đó các photon vướng víu theo thời gian được tạo ra là một thách thức và không thực tế trong các nền tảng quang tử nano mới nổi. Đối với thao tác trên chip đối với trạng thái qubit, mã hóa đường ray kép, trong đó hai trạng thái của qubit tương ứng với photon truyền trong một trong hai ống dẫn sóng quang học, là một chiến lược ưu việt.4,5 và do đó là một lựa chọn phổ biến cho điện toán lượng tử và mô phỏng lượng tử trong các nền tảng tích hợp. Tuy nhiên, cách tiếp cận này không dễ dàng tương thích với các liên kết truyền dẫn đường dài sử dụng sợi quang hoặc kênh không gian trống.

 

Gần đây, mã hóa ngăn tần số đã được đề xuất và được chứng minh bằng thực nghiệm, như một chiến lược hấp dẫn có thể kết hợp các đặc điểm tốt nhất của mã hóa ngăn thời gian và mã hóa đường ray kép6,7,8,9,10,11. Theo cách tiếp cận này, thông tin lượng tử được mã hóa bởi photon nằm trong sự chồng chất của các dải tần số khác nhau. Các ngăn tần số có thể được điều khiển bằng cách sử dụng bộ điều biến pha và có khả năng chống lại nhiễu pha khi truyền đường dài. Các nghiên cứu tiên phong đã điều tra việc tạo ra và điều khiển các photon vướng víu tần số trong các bộ cộng hưởng tích hợp. Họ đã xem xét việc chụp cắt lớp trạng thái lượng tử của các cặp photon vướng víu12, mã hóa qudit13và các trạng thái vướng víu đa photon14. Tất cả các kết quả thử nghiệm đều có thể đạt được nhờ sự phát triển gần đây của các bộ cộng hưởng tích hợp Q cao trong các nền tảng silicon nitride và silicon oxynitride.

 

Bất chấp tất cả những tiến bộ này, một số trở ngại phải được khắc phục để khai thác toàn bộ lợi thế của sự tích hợp quang tử. Trong mã hóa ngăn tần số ngày nay, việc tạo ra các cặp photon xảy ra thông qua trộn bốn sóng tự phát trong bộ cộng hưởng vòng đơn, với trạng thái mong muốn thu được bên ngoài chip, sử dụng bộ điều biến quang điện và/hoặc bộ tạo xung. Và vì các bộ điều chế thương mại có băng thông hạn chế, dải tần phân tách các photon không thể vượt quá vài chục gigahertz, điều này đặt ra giới hạn cho dải phổ tự do tối đa của bộ cộng hưởng. Cuối cùng, do hiệu suất trộn bốn sóng tự phát chia tỷ lệ bậc hai với dải phổ không có bộ cộng hưởng15, cũng có sự đánh đổi đáng kể giữa tốc độ tạo và số ngăn tần số có thể truy cập.

 

Trong công trình này, chúng tôi chỉ ra rằng những hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng tính linh hoạt của thao tác ánh sáng trong nền tảng quang tử nano và khả năng tích hợp quang học dày đặc trong quang tử silicon. Cách tiếp cận của chúng tôi dựa trên việc xây dựng trạng thái mong muốn bằng cách điều khiển trực tiếp, trên chip đối với sự giao thoa của biên độ biphoton được tạo ra trong nhiều bộ cộng hưởng vòng được bơm kết hợp. Do đó, các trạng thái có thể được xây dựng “từng mảnh một” theo cách lập trình được, bằng cách chọn pha tương đối của từng nguồn. Ngoài ra, do khoảng cách giữa các ngăn tần số không còn liên quan đến bán kính vòng, người ta có thể làm việc với các bộ cộng hưởng có độ tinh xảo rất cao, đạt tốc độ tạo megahertz. Hai bước đột phá này, cụ thể là tốc độ phát xạ cao kết hợp với giá trị cao của dải phổ tự do, cùng với khả năng kiểm soát trạng thái đầu ra bằng cách sử dụng các thành phần trên chip, chỉ có thể thực hiện được khi sử dụng nhiều vòng: chúng sẽ không khả thi nếu các ngăn tần số được mã hóa trên phương vị chế độ của một bộ cộng hưởng duy nhất.

 

Chúng tôi chứng minh rằng với cùng một thiết bị, người ta có thể tạo ra tất cả các chồng chất của |00|00⟩ và |11|11⟩ trạng thái hoặc, trong một cấu hình khác với khoảng cách ngăn tần số khác, tất cả các chồng chất của |01|01⟩ và |10|10⟩ Những trạng thái. Người ta chỉ cần điều khiển bộ dịch pha trên chip và thiết lập cấu hình máy bơm một cách thích hợp. Điều này có nghĩa là tất cả bốn trạng thái có thể tách rời hoàn toàn của cơ sở tính toán và cả bốn trạng thái Bell vướng víu cực đại (∣∣Φ±=(|00±|11)/2–√|Φ±⟩=(|00⟩±|11⟩)/2 và ∣∣Ψ±=(|01±|10)/2–√|Ψ±⟩=(|01⟩±|10⟩)/2) có thể truy cập được. Tốc độ tạo cao của chúng tôi cho phép chúng tôi thực hiện chụp cắt lớp trạng thái lượng tử của tất cả các trạng thái này, đạt độ trung thực lên tới 97.5% với độ tinh khiết gần 100%.

 

 

Kết quả

Đặc tính thiết bị và nguyên lý hoạt động

Thiết bị được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình. 1một. Cấu trúc này được vận hành bằng cách khai thác chế độ điện ngang cơ bản (TE) của ống dẫn sóng silicon, với kích thước 600 × 220 nm.2 mặt cắt ngang, được chôn trong silica. Hai bộ cộng hưởng vòng silicon (Vòng A và Vòng B) trong cấu hình all-pass đóng vai trò là nguồn của các cặp photon. Bán kính của chúng là khoảng 30 μm để đảm bảo tốc độ tạo cao và chúng không tương xứng để hai dải phổ tự do khác nhau: FSRA = 377.2 GHz và FSRB = 373.4 GHz tương ứng. Hai vòng được ghép cực kỳ chặt chẽ với ống dẫn sóng xe buýt và các đường cộng hưởng của chúng có thể được điều chỉnh độc lập bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt điện trở. Thiết bị này cũng chứa một giao thoa kế Mach-Zehnder có thể điều hướng (MZI), có đầu ra được kết nối với đầu vào của hai bộ lọc bổ sung có thể điều hướng cho phép một người kiểm soát cường độ trường và pha tương đối mà Vòng A và Vòng B được bơm vào thí nghiệm trộn bốn sóng tự phát16.

Hình 1: Bố trí thiết bị và phổ truyền.
Hình 1

 

a Sơ đồ của thiết bị, trong đó Giao thoa kế Mach Zehnder (MZI) được sử dụng để định tuyến công suất bơm quang tới hai vòng tạo (Vòng A và Vòng B) thông qua hai bộ lọc bổ sung (F). Pha tương đối của bơm cho hai vòng được điều khiển bằng bộ dịch pha nhiệt điện. bd Đặc tính tuyến tính của mẫu thông qua ống dẫn sóng xe buýt, với thiết bị được vận hành ở cấu hình Φ. Một chi tiết của phổ truyền xung quanh người làm biếng (bảng điều khiển bm = −5), máy bơm (bảng cm = 0) và tín hiệu (bảng điều khiển dm = +5) dải hiển thị cộng hưởng thuộc cả hai bộ cộng hưởng vòng, được xác định bởi nhãn A và B tương ứng. Trong cấu hình này, Ring B được liên kết với |0s, tôi |0⟩s, tôi ngăn tần số cho cả tín hiệu và trình điều khiển, trong khi Vòng A được liên kết với |1s, tôi |1⟩s, tôi cộng hưởng cho cả tín hiệu và người làm biếng. eg Giống như tấm bd, tương ứng, nhưng với thiết bị được đặt ở cấu hình Ψ. Ở đây, Vành A tương ứng với |0s|0⟩ giây cộng hưởng cho tín hiệu và |1i|1⟩tôi cộng hưởng cho người làm biếng, Vòng B tương ứng với |1s|1⟩ giây cộng hưởng cho tín hiệu và |0i|0⟩tôi cộng hưởng cho người làm biếng.

 

Các phép đo truyền tuyến tính qua ống dẫn sóng xe buýt được thể hiện trong Hình. 1b–g. Trong cấu hình đầu tiên (Hình. 1b–d), mà sau này chúng ta sẽ gọi là “Φ”, hai cộng hưởng của Vòng A và Vòng B được sắp xếp theo phổ để sau này được sử dụng để bơm, do đó chỉ quan sát thấy một lần nhúng truyền ở 194 THz (1545 nm) trong Hình . 1c. Vì Vòng A và Vòng B có các dải quang phổ tự do khác nhau, nên các cộng hưởng khác không thẳng hàng và người ta quan sát thấy các lần giảm đôi, với khoảng cách Δ(m) = m(FSRA - FSRB), với m là thứ tự phương vị liên quan đến cộng hưởng bơm. Trong bộ lễ phục. 1b và d, chúng tôi vẽ sơ đồ nhúng kép truyền tương ứng với m = − 5 và m = +5, lần lượt được đặt tên là “người làm biếng” và “tín hiệu”. Đối với cả dải tín hiệu và dải làm biếng, cộng hưởng của Vòng A và Vòng B được phân tách bằng Δ = 19 GHz. Sau đó, hai tần số sẽ được sử dụng để mã hóa hai trạng thái của các qubit, với các cặp tần số tín hiệu và bộ làm biếng đại diện cho hai qubit. Vì lý do này, trong Hình. 1b và d, chúng tôi đặt tên |0s, tôi |0⟩s, tôi hai ngăn tần số gần máy bơm hơn và |1s, tôi |1⟩s, tôi hai thùng cách xa máy bơm, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về sự vướng víu của thùng tần số6. Thiết bị của chúng tôi cũng có thể hoạt động ở một cấu hình khác mà chúng tôi sẽ gọi là “Ψ”. Tại đây Vòng A và Vòng B được điều chỉnh nhiệt sao cho các cộng hưởng tương ứng với các trạng thái |0i|0⟩tôi và |1s|1⟩ giây thuộc Vành B và những vành tương ứng với |0s|0⟩ giây và |1i|1⟩tôi thuộc Vành A (xem Hình. 1ví dụ). Như có thể thấy từ tất cả các bảng trong Hình. 1b–g, cộng hưởng của hai vòng tạo có các hệ số phẩm chất Q ≈ 150 (Toàn bộ chiều rộng ở mức tối đa một nửa Γ ≈ 000 GHz), đảm bảo các ngăn tần số được phân tách rõ ràng và tốc độ tạo cao.

 

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của thiết bị như sau: (i) Vòng A và Vòng B được đặt ở cấu hình phù hợp (ví dụ: Φ) bằng cách điều khiển bộ chỉnh nhiệt; (ii) Công suất bơm được phân phối nhất quán giữa hai vòng với pha và biên độ tương đối cần thiết được đặt thông qua MZI hoặc trực tiếp qua ống dẫn sóng xe buýt; (iii) Các cặp photon được thu thập trong ống dẫn sóng xe buýt, với trạng thái mong muốn là kết quả của sự chồng chất kết hợp của các trạng thái hai photon sẽ được tạo ra bởi từng vòng riêng biệt.

Trộn bốn sóng tự phát

Hiệu suất tạo photon thông qua trộn bốn sóng tự phát (SFWM) được đánh giá cho hai vòng bằng cách đặt thiết bị ở cấu hình Ψ, thuận tiện để bơm từng vòng riêng lẻ qua ống dẫn sóng xe buýt. Hai bộ cộng hưởng được bơm bằng tia laser có thể điều chỉnh bên ngoài và đầu ra của chip được phân tách thành các dải tín hiệu (194.7–197.2 THz), bơm (192.2–194.7 THz) và bộ làm biếng (189.7–192.2 THz) bằng cách sử dụng dải thô cấp viễn thông. bộ ghép kênh phân chia bước sóng (xem Hình bổ sung. 1). Tín hiệu được tạo ra và các photon làm biếng sau đó được lọc băng hẹp bằng cách sử dụng cách tử Bragg sợi quang có thể điều hướng với dải dừng 8 GHz và được định tuyến đến một cặp máy dò photon đơn siêu dẫn. Tổng tổn thất chèn từ ống dẫn sóng xe buýt đến máy dò lần lượt là 6 và 7 dB đối với các kênh tín hiệu và kênh làm biếng. Kết quả của thí nghiệm được tóm tắt trong hình. 2. Hai vòng thể hiện hiệu suất tạo tương tự η=R/P2wg�=�/�wg2, với ηA = 57.6 ± 2.1 Hz/μW2 cho Vành đai A và ηB = 62.4 ± 1.7 Hz/μW2 cho Vòng B15. Tốc độ tạo cặp bên trong R có thể vượt quá 2 MHz đối với cả hai bộ cộng hưởng vòng (Hình. 2một). Tỷ lệ trùng hợp ngẫu nhiên (CAR) cao vượt quá 102 thu được đối với bất kỳ giá trị nào của công suất đầu vào, một điều kiện cần thiết để đảm bảo độ tinh khiết cao của trạng thái được tạo ra (Hình. 2b).

Hình 2: Trộn bốn sóng tự phát.
Hình 2

Tạo các cặp thông qua trộn bốn sóng tự phát bằng cách sử dụng hai vòng của thiết bị. Hai bộ cộng hưởng được dịch chuyển sao cho tất cả các cộng hưởng được tách ra (cấu hình Ψ). Một tia laser có thể điều hướng được điều chỉnh dựa trên sự cộng hưởng với Vòng A hoặc Vòng B, và tín hiệu liên quan và các photon làm biếng được phát hiện. Tỷ lệ trùng hợp tương tự (a) được quan sát, chứng tỏ rằng hai vòng có hiệu suất tạo tương tự nhau. Inset hiển thị biểu đồ ví dụ về độ trễ thời gian đến của photon. bảng điều khiển b hiển thị CAR được tính toán, thể hiện mức giảm điển hình đối với các giá trị cao hơn của công suất đầu vào do tạo ra các trạng thái photon bậc cao hơn.

 

Bây giờ chúng ta chuyển sang tính chất quang phổ của các cặp photon được tạo ra và chứng minh sự vướng víu. Chúng tôi đặt thiết bị của mình hoạt động ở cấu hình Φ, cấu hình này sau này sẽ được sử dụng để tạo trạng thái vướng víu tối đa

|Φ(θ)=|00+eiθ|112–√,|Φ(�)⟩=|00⟩+���|11⟩2,
(1)

Ở đâu |00=|0s|0i|00⟩=|0⟩s|0⟩i|11=|1s|1i|11⟩=|1⟩s|1⟩i, và pha θ có thể được điều chỉnh bằng cách tác động lên bộ dịch pha nhiệt điện sau giao thoa kế (xem Ghi chú bổ sung 1)θ = 0 và θ = π tương ứng với các trạng thái Bell nổi tiếng ∣∣Φ+|Φ+⟩ và ∣∣Φ-|Φ−⟩, tương ứng. Phổ SFWM tương ứng của tín hiệu và dải làm biếng được thể hiện trong Hình. 3a và b (bảng trên); thiết bị đã được điều chỉnh bằng điện để thiết lập θ = 0, với công suất bơm, được chia đều giữa các Vòng A và B bằng MZI. Ở đây chúng tôi tập trung vào thứ tự phương vị m = ±5, với các dải tần số được tạo ra có thể phân biệt được trong phổ tín hiệu biên và phổ làm biếng.

Hình 3: Ảnh hưởng của điều chế đối với phổ trộn bốn sóng tự phát.
Hình 3

Quang phổ trộn bốn sóng tự phát được chuẩn hóa cho người làm biếng và b các kênh tín hiệu sau khi tách kênh cả khi không có (bảng trên) và có mặt (bảng dưới) của điều chế. Thứ tự cặp thùng m liên quan đến cộng hưởng của bơm được đánh dấu, trong khi hỗn hợp bốn sóng tự phát được tạo ra trong các vòng bộ lọc thêm giọt được đánh dấu là F. Lưu ý rằng, mặc dù hiệu suất ghép nối ngoài khác nhau đối với mỗi cộng hưởng và độ phân giải hạn chế của máy quang phổ, nó vẫn có thể quan sát tính đối xứng dự kiến ​​về cường độ của các thùng được tạo và khoảng cách giữa các thùng tăng theo thứ tự phương vị như thế nào m. Các bảng bên dưới cho thấy tác động của điều chế sóng mang bị triệt tiêu dải kép đối với tín hiệu và phổ của bộ làm biếng, trong đó chỉ các dải biên thứ nhất được bảo toàn. Quang phổ hiển thị ở đây được liên kết với việc tạo ra trạng thái được mô tả bởi biểu thức. (1), nơi chúng tôi đã chọn θ = π (Trạng thái chuông ∣∣Φ-|Φ−⟩). Phổ tương tự có thể đạt được đối với bất kỳ cấu hình thiết bị nào được thảo luận trong tác phẩm này.

Giao thoa hai photon

Để chứng minh sự vướng víu, tín hiệu tách kênh và các photon làm biếng đã được định tuyến (xem Hình bổ sung. 1) đến hai bộ điều chế quang điện cường độ (EOM), được điều khiển mạch lạc tại FM = 9.5 GHz, tương ứng với một nửa phân tách ngăn tần số của thứ tự phương vị đã chọn m = ±5. Các bộ điều biến hoạt động ở điểm truyền tối thiểu (nghĩa là ở điện áp phân cực Vπ) để đạt được điều chế biên độ sóng mang bị triệt tiêu băng kép. Biên độ của tín hiệu RF điều chế đã được chọn để tối đa hóa công suất truyền từ sóng mang sang dải biên thứ nhất, với hiệu suất điều chế khoảng −4.8 dB, tương ứng với chỉ số điều chế β ≈ 1.7. Những tổn thất này có thể được giảm bằng cách tích hợp các bộ điều biến trên chip. Hơn nữa, cách tiếp cận của chúng tôi cho phép sử dụng khoảng cách ngăn tần số có khả năng thấp hơn nhiều so với mức cắt tần số của bộ điều biến. Điều này sẽ cho phép sử dụng các kỹ thuật điều chế dịch chuyển bước sóng phức tạp.17,18 để tránh việc tạo ra các dải biên kép và do đó mất thêm 3 dB.

 

Phổ kết quả được hiển thị trong các bảng dưới của Hình. 3a và b, trong đó người ta có thể nhận ra ba đỉnh. Thật vậy, với tần số được điều biến đã chọn, tần số trung tâm là kết quả của sự chồng chéo của các thùng ban đầu được chuyển đổi xuống và chuyển đổi trên. Từ quan điểm quang học lượng tử, hoạt động này đạt được sự giao thoa lượng tử của các dải tần số ban đầu12 theo cách tương tự như những gì có thể được thực hiện với các ngăn thời gian trong giao thoa kế Franson19,20. Ở đây, khả năng hiển thị có thể đạt được của giao thoa lượng tử phụ thuộc vào sự chồng chất chính xác của quang phổ của các chế độ mã hóa hai ngăn tần số cho tín hiệu và photon làm biếng, tương ứng, như được nêu trong Hình. 4a.

Hình 4: Trộn tần số và giao thoa hai photon.
Hình 4

a Sơ đồ về tác động của điều chế đối với các thùng tần số làm biếng (màu đỏ) và tín hiệu (màu xanh) được tạo. Việc trộn tần số tạo ra các bản đồ của từng trạng thái tín hiệu và trạng thái làm biếng trong sự chồng chất của ba thành phần tần số: các thành phần ngoài cùng gợi nhớ đến biên độ xác suất tỷ lệ với |0s, tôi |0⟩s, tôi or |1s, tôi |1⟩s, tôi, trong khi thùng "trung tâm" dẫn đến sự chồng chất của cả hai. Mỗi thùng thay đổi tần số cũng thu được một pha ± φs, tôi do điều chế. Sự chồng chất của các thùng được tạo ra được điều chỉnh bởi tần số điều chế và sự chồng chéo được tối đa hóa lý tưởng khi FM = Δ/2 khi đạt được sự không thể phân biệt hoàn hảo của các thùng được tạo. b Tương quan hai photon G(2)1,2�1,2(2) của các thùng hỗn hợp tần số như là một chức năng của việc kích nổ FM − Δ/2. Các điểm thử nghiệm (các chấm đen) thu được bằng cách đếm các điểm trùng hợp giữa các thùng trộn tần số ở các tần số điều chế khác nhau, trong khi vẫn giữ cố định pha điều chế và chuẩn hóa. Các thanh lỗi (màu xám nhạt) được ước tính theo thống kê Poissonia. Đường cong màu xanh thể hiện sự phù hợp nhất của đường cong theo biểu thức. (2), cho thấy thỏa thuận tốt (c) với dự đoán lý thuyết.

 

Để đếm trùng hợp, tín hiệu đã điều chế và các photon làm biếng được lọc bằng cách sử dụng cách tử Bragg sợi quang hẹp để chỉ chọn đường trung tâm ở đầu ra của bộ điều chế tương ứng và được định tuyến đến các máy dò photon đơn lẻ. Kết quả của thí nghiệm này được thể hiện trong hình. 4b và c là một hàm của tần số điều chế. Sự dao động nhanh chóng của mối tương quan là do các pha khác nhau mà các photon thu được trong quá trình chúng truyền từ thiết bị đến EOM. Nếu các cộng hưởng chia sẻ giống nhau Q yếu tố và hiệu quả ghép nối, tốc độ trùng khớp tỷ lệ thuận với hàm tương quan chéo (xem Ghi chú bổ sung 3):

G(2)s,i(fm)=1+Γ2(fm-Δ/2)2+Γ2xe đẩy(4π(fm-Δ/2)δT+2φs-2φi-θ),�s,i(2)(�m)=1+Γ2(�m−Δ/2)2+Γ2cos⁡(4�(�m−Δ/2)��+2φs−2φi−�),
(2)

 

Ở đâu δT = ti - ts là sự khác biệt giữa thời gian đến của người làm biếng và tín hiệu tại EOM và φs(tôi) là giai đoạn điều khiển bộ điều biến (làm biếng) tín hiệu. Nhân vật 4b cho thấy sự phù hợp tốt giữa kết quả thử nghiệm và đường cong được mô tả bởi biểu thức. (2) Cho φs - φi = θ/ 2 và δT = 8.5 ns, tương ứng với chênh lệch đường dẫn ~2 m giữa EOM của trình điều khiển và tín hiệu trong thiết lập của chúng tôi. Khả năng hiển thị đường cong thu được từ sự phù hợp bình phương nhỏ nhất của mô hình là V = 98.7 ± 1.2%. Tương quan hai photon đạt giá trị cực đại G(2)s, tôi (FM)2�s, i(2)(�m)≈2 khi nào FM = Δ/2, như thể hiện trong các công trình khác về sự vướng víu của ngăn tần số12. Nhờ độ sáng cao của nguồn, số lượng trùng hợp trên các máy dò vẫn cao hơn nhiều so với mức nhiễu ngay cả khi có thêm tổn thất từ ​​các bộ điều biến, với mức CAR > 50 và tốc độ trùng hợp được phát hiện > 2 kHz, do đó có nghĩa là một dạng nhiễu có tần số cao hiển thị.

Với những kết quả này trong tay, chúng tôi thiết lập FM = Δ/2 và thay đổi φs để thực hiện một thí nghiệm giống như Bell. Các đường cong giao thoa lượng tử tương ứng được báo cáo trong Ghi chú bổ sung 2.

 

 

Chụp cắt lớp trạng thái lượng tử

Cuối cùng, chúng tôi cho thấy rằng thiết bị của chúng tôi có thể được vận hành để tạo ra, trực tiếp trên chip, các cặp photon ngăn tần số với trạng thái đầu ra có thể điều khiển được. Đối với mỗi cấu hình đã khám phá, chúng tôi đã thực hiện chụp cắt lớp trạng thái lượng tử21. Đầu tiên, chúng tôi giữ thiết bị ở cấu hình Φ, trong đó Vòng A và Vòng B tạo ra các cặp photon ở trạng thái |0s, tôi |0⟩s, tôi và |1s, tôi |1⟩s, tôi, tương ứng. Như vậy, hai trạng thái của cơ sở tính toán |00=|0s|0i|00⟩=|0⟩s|0⟩i và |11=|1s|1i|11⟩=|1⟩s|1⟩i có thể được tạo ra bằng cách chỉ bơm có chọn lọc bộ cộng hưởng thích hợp, như thể hiện trong Hình. 5A và B. Các trạng thái được đặc trưng thông qua chụp cắt lớp trạng thái lượng tử12,21,22, như chi tiết trong phần Phương pháp. Trong cả hai trường hợp, các trạng thái được sao chép chính xác, với độ trung thực và độ tinh khiết vượt quá 90%.

Hình 5: Chụp cắt lớp trạng thái lượng tử trong {|00,|11}{|00⟩,|11⟩} cơ sở (cấu hình Φ).
Hình 5

Các cột từ trái sang phải tương ứng với các trạng thái: |00|00⟩|11|11⟩∣∣Φ+|Φ+⟩và ∣∣Φ-|Φ−⟩ad Sơ đồ bơm thiết bị cho từng trạng thái được tạo. Đường dẫn bao phủ bởi tia laser bơm được đánh dấu bằng màu đỏ. Các vòng tạo A và B được xử lý có chọn lọc bằng cách tác động lên MZI có thể điều hướng, trong khi pha tương đối của máy bơm được thay đổi thông qua bộ dịch pha nhiệt. eh thực và gl các phần ảo của ma trận mật độ được xây dựng lại cho từng trạng thái được tạo, được ước tính thông qua phương pháp khả năng tối đa. FPvà EF lần lượt chỉ ra độ trung thực, độ tinh khiết và sự vướng víu của sự hình thành của từng trạng thái được tái tạo.

 

Trong thí nghiệm thứ hai, MZI được vận hành để phân chia công suất bơm sao cho xác suất tạo ra một cặp photon trong Vành đai A và Vành đai B là bằng nhau. Nếu công suất bơm đủ thấp để xác suất phát ra các cặp hai photon là không đáng kể, thì các ngăn tần số được tạo ở trạng thái |Φ(θ)|Φ(�)⟩ được mô tả bởi phương trình. (1), trong đó hệ số pha θ được điều khiển bởi bộ dịch pha sau MZI. Bằng cách thiết lập θ = 0 hoặc π, chúng tôi đã có thể tạo ra hai trạng thái Bell ∣∣Φ+|Φ+⟩ và ∣∣Φ-|Φ−⟩, tương ứng (xem hình. 5c và d). Phần thực và phần ảo của ma trận mật độ được thể hiện trong Hình. 5g, h, k và l. Như mong đợi, chúng tôi đã tìm thấy các số hạng khác 90 trong phần thực của ma trận mật độ, biểu thị sự vướng víu. Trong những trường hợp này, thiết bị cũng có khả năng xuất ra trạng thái mong muốn với độ tinh khiết và độ trung thực vượt quá XNUMX%. Sự vướng víu của sự hình thành, một con số đáng khen để định lượng sự vướng víu của các cặp được tạo23, được trích xuất từ ​​ma trận mật độ đo được, mang lại giá trị > 80% cho hai trạng thái Bell, ngược lại với giá trị < 20% cho hai trạng thái có thể phân tách |00|00⟩ và |11|11⟩.

 

Thiết bị của chúng tôi cũng có thể hoạt động ở cấu hình Ψ, với các vòng cộng hưởng được sắp xếp như trong Hình. 1ví dụ. Trong trường hợp này, người ta cũng có thể tạo ra hai trạng thái cơ sở tính toán còn lại |01|01⟩|10|10⟩ và hai trạng thái Bell còn lại ∣∣Ψ+|Ψ+⟩ và ∣∣Ψ-|Ψ−⟩. Lưu ý rằng trong cấu hình này, cộng hưởng bơm cho hai bộ cộng hưởng vòng không thẳng hàng (Hình. 1NS).

 

Khi tạo hai trạng thái có thể tách rời, Ring A (để tạo |01|01⟩) hoặc Ring B (để tạo |10|10⟩) được bơm qua ống dẫn sóng xe buýt bằng cách điều chỉnh bơm theo cộng hưởng tương ứng (xem hình. 6A và B). Để tạo ra hai trạng thái Bell, phổ xung của bơm (được điều chỉnh ở giữa hai cộng hưởng) được định hình bằng EOM bên ngoài hoạt động ở tần số tương ứng với một nửa chênh lệch giữa hai cộng hưởng của bơm (FM,p = Δp/2 = 19 GHz) (xem Hình. 6c và d và phần Phương pháp). Tỷ lệ bơm và pha giữa hai vòng được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh điều chế để thu được biên độ xác suất bằng nhau tạo ra một cặp photon đơn cho các trạng thái |01|01⟩ và |10|10⟩ tương ứng, trong khi vẫn giữ xác suất tạo cặp đôi không đáng kể. Pha tương đối của sự chồng chất có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh pha dẫn động EOM để chọn một trong hai ∣∣Ψ+|Ψ+⟩ or ∣∣Ψ-|Ψ−⟩.

Hình 6: Chụp cắt lớp trạng thái lượng tử trong {|01,|10}{|01⟩,|10⟩} cơ sở (Ψ cấu hình).
Hình 6

Các cột từ trái sang phải tương ứng với các trạng thái: |01|01⟩|10|10⟩∣∣Ψ+|Ψ+⟩và ∣∣Ψ-|Ψ−⟩ad Sơ đồ bơm thiết bị. Ống dẫn sóng xe buýt được sử dụng làm đầu vào cho máy bơm, trong khi cộng hưởng của các vòng thế hệ được giải quyết bằng cách định hình quang phổ (điều chế) của máy bơm, được thực hiện trước khi ghép nối với chip. Pha tạo tương đối giữa các vòng A và B được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh pha của trình điều khiển bộ điều chế đầu vào. el Ma trận mật độ được xây dựng lại cho từng trạng thái được tạo (xem chú thích của Hình. 5 để biết chi tiết).

 

Bốn trạng thái được tạo ra được đặc trưng thông qua chụp cắt lớp trạng thái lượng tử như trong trường hợp trước. Tuy nhiên, chúng tôi nhấn mạnh rằng ở đây có hai giá trị khác nhau của khoảng cách giữa các ngăn cho tín hiệu (Δs = 19 GHz) và bộ làm biếng (Δi = 3Δs = 57 GHz) qubit đã được sử dụng. Mặc dù điều này không tạo thành vấn đề đối với việc tạo ra sự vướng víu, vì không gian Hilbert của hai qubit được xây dựng từ tích tensor của không gian Hilbert của hai qubit với các giá trị khác nhau cho Δs và Δi, lần đầu tiên nó mang đến cho chúng tôi cơ hội để chứng minh, chụp cắt lớp ngăn tần số cho khoảng cách không đồng đều. Điều này được thực hiện bằng cách vận hành các EOM tín hiệu và bộ làm biếng (xem Hình bổ sung. 1) ở các tần số khác nhau bằng một nửa khoảng cách tần số của các cộng hưởng tương ứng.

 

Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trong hình. 6e–l. Tất cả bốn trạng thái đã được chuẩn bị với độ trung thực gần hoặc vượt quá 90% và độ tinh khiết từ 85 đến 100%. Sự vướng víu của sự hình thành dưới 5% đối với các trạng thái có thể tách rời |01|01⟩ và |10|10⟩, trong khi trên 80% đối với các bang Bell ∣∣Ψ+|Ψ+⟩ và ∣∣Ψ-|Ψ−⟩, như mong đợi. Các ma trận mật độ được xây dựng lại cho thấy tiếng ồn tăng lên liên quan đến những ma trận được báo cáo trong Hình. 5 bởi vì hiệu quả điều chế của bộ điều biến làm biếng của chúng tôi đã giảm đáng kể ở tần số cao như vậy, dẫn đến tổn thất bổ sung và giảm tốc độ đếm trên máy dò (xem phần Phương pháp).

 

 

Khả năng mở rộng sang các trạng thái chiều cao hơn

Cách tiếp cận của chúng tôi có thể được khái quát hóa thành các qudits tần số bằng cách nhân rộng số lượng vòng kích thích kết hợp. Chúng tôi đưa ra bằng chứng về nguyên tắc trình diễn khả năng này bằng cách sử dụng một thiết bị lưu trữ khác d = 4 vòng và bộ lọc bổ sung. Bốn nguồn A, B, C, D có bán kính Rj = R0 + jδR (với j = 0, …, d - 1), trong đó R0 = 30 m và δR = 0.1 μm, dẫn đến khoảng cách giữa các thùng là ~9 GHz ở 7 FSR từ máy bơm. Đáp ứng phổ của thiết bị ở đầu ra của ống dẫn sóng xe buýt, được chỉ ra trong Hình. 7a, hiển thị bốn thùng cách đều nhau (được dán nhãn 0, 1, 2, 3) được liên kết với tín hiệu và với các photon làm biếng, và cộng hưởng chồng chéo của các vòng ở tần số bơm. Như trong trường hợp qubit, chúng tôi đã sử dụng cây MZI để chia máy bơm thành bốn đường dẫn, mỗi đường cung cấp một bộ lọc vòng thêm-thả khác nhau được sử dụng để kiểm soát cường độ trường tại các nguồn cặp photon. Chúng tôi tập trung vào khả năng tạo ra bốn trạng thái cơ sở tính toán và trạng thái Bell hai chiều được hình thành bởi các cặp bin tần số liền kề. Đầu tiên, các bộ lọc bổ sung được điều chỉnh theo cộng hưởng tại một thời điểm. Điều này chọn trạng thái cơ sở tính toán được tạo ra. Chúng tôi đã mô tả các trạng thái đó bằng cách thực hiện một Zphép đo tương quan cơ sở, tức là, bằng cách chiếu tín hiệu và photon làm biếng trên Z-nền tảng {|ls|mi},l(m)=0,1,2,3{|�⟩s|�⟩i},�(�)=0,1,2,3, để đo tính đồng nhất và nhiễu xuyên âm giữa bốn ngăn tần số. Từ các ma trận tương quan, được hiển thị trong Hình. 7b–e, có thể đo tỷ lệ số lượng trùng hợp tất cả các trong cơ sở tương quan tần số |ls|li|�⟩s|�⟩i với điều đó trong cơ sở không tương quan ∑lcó thể , và nó là khoảng hai bậc độ lớn. Chúng ta có thể bù cho biên độ hơi khác nhau của các trạng thái cơ bản khác nhau bằng cách tác động lên cây MZI ở đầu vào. Thứ hai, các bộ lọc bổ sung được liên kết với các cặp ngăn tần số liền kề 0–1, 1–2 và 2–3 được điều chỉnh trên cộng hưởng tại một thời điểm, do đó tạo ra các trạng thái Bell ∣∣Φ+0,1|Φ+⟩0,1∣∣Φ+1,2|Φ+⟩1,2 và ∣∣Φ+2,3|Φ+⟩2,3, là ∣∣Φ+l,m=(|ll+|mm)/2–√|Φ+⟩�,�=(|��⟩+|��⟩)/2. Khả năng hiển thị nhiễu lượng tử được đánh giá bằng cách trộn các ngăn tần số tương ứng với bộ điều chế quang điện. Không giống như trong thử nghiệm qubit, ở đây chúng tôi chọn tần số điều chế phù hợp với sự phân tách quang phổ giữa các thùng. Chúng tôi đã sử dụng các bộ điều biến pha được định cấu hình để tạo các dải biên bậc một có biên độ bằng với biên độ của dải cơ sở và ghi lại các điểm trùng hợp trong các ngăn tín hiệu/bộ điều khiển 0, 1, 2 và 3. Kết quả là các đường cong Bell, được hiển thị trong Hình. 7f, có khả năng hiển thị V0,1 = 0.831 (5), V1,2 = 0.884(6) và V2,3 = 0.81(1), biểu thị sự hiện diện của sự vướng víu giữa các cặp bin trong mọi trường hợp. Điều đáng chú ý là, như trong trường hợp hai chiều, pha tương đối giữa ba đường cong Bell trong Hình. 7f có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng bộ dịch pha trên chip để nhận ra trạng thái Bell chiều cao bị vướng víu tối đa.

Hình 7: Trạng thái chiều cao hơn (qudits).
Hình 7

a Phổ truyền được chuẩn hóa của thiết bị được sử dụng để tạo ra các trạng thái có chiều cao hơn. Bố cục thiết bị tương tự như bố trí trong Hình. 1a, nhưng có liên quan đến bốn vòng thế hệ (có nhãn A, B, C, D). Các bảng từ trái sang phải lần lượt hiển thị các cộng hưởng của bộ làm biếng, máy bơm và tín hiệu liên quan đến bốn vòng tương ứng có liên quan. be Ma trận tương quan hiển thị số lần trùng khớp cho từng cặp bộ cộng hưởng trong khi bơm các vòng tương ứng A, B, C, D. f Các phép đo giao thoa lượng tử kiểu chuông được thực hiện trên các trạng thái được tạo ∣∣Φ+0,1|Φ+⟩0,1 (chấm màu cam), ∣∣Φ+1,2|Φ+⟩1,2 (các chấm màu xanh lá cây) và ∣∣Φ+2,3|Φ+⟩2,3 (chấm xanh).

Thảo luận

Chúng tôi đã chứng minh rằng rất nhiều trạng thái có thể tách rời và vướng víu tối đa, bao gồm bất kỳ sự chồng chất tuyến tính nào của {|00,|11}{|00⟩,|11⟩} or {|01,|10}{|01⟩,|10⟩}, có thể được tạo bằng cách sử dụng mã hóa ngăn tần số trong một thiết bị quang tử nano có thể lập trình duy nhất, được chế tạo bằng các công nghệ quang tử silicon hiện có tương thích với việc chạy các tấm wafer đa dự án. Điều này đảm bảo rằng các thiết bị này có thể sẵn sàng để sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng, từ truyền thông lượng tử đến điện toán lượng tử.

 

Cách tiếp cận của chúng tôi tạo thành một mô hình sáng tạo để tích hợp các thiết bị ngăn tần số vượt xa việc thu nhỏ các chiến lược số lượng lớn. Thật vậy, không giống như các triển khai trước đây, tất cả các trạng thái đều được tạo bên trong thiết bị mà không dựa vào thao tác bên ngoài chip của một trạng thái ban đầu duy nhất. Khả năng kiểm soát của trạng thái được tạo đã được chứng minh là có thể truy cập dễ dàng trên chip, thông qua điều khiển điện của bộ truyền động quang nhiệt trong một cấu hình (Φ) và bằng cách điều chỉnh các đặc tính phổ của bơm trong cấu hình khác (Ψ). Trong phiên bản tương lai của thiết bị, việc sử dụng nhiều hơn hai vòng để xác định trạng thái sẽ cho phép hai cấu hình có cùng khoảng cách tần số cho các qubit. Do đó, thiết bị sẽ có khả năng tạo ra cả bốn trạng thái Bell với các đặc tính vật lý giống nhau, như đã được chứng minh gần đây bằng cách sử dụng tinh thể lithium niobate được phân cực định kỳ bên ngoài24; nó cũng sẽ được sử dụng để khám phá thêm không gian Hilbert của hai qubit.

 

Vì theo cách tiếp cận của chúng tôi, khoảng cách giữa các ngăn tần số chỉ bị giới hạn bởi băng thông của bộ cộng hưởng, nên các yêu cầu đối với bộ điều chế quang điện được nới lỏng rất nhiều so với các triển khai trước đó. Thật vậy, như đã được chứng minh trong công việc này, việc phân tách ngăn tần số tương thích với các bộ điều biến tích hợp silicon hiện có25. Do đó, người ta có thể thấy trước một sự phát triển trong tương lai của thiết bị của chúng tôi sẽ liên quan đến các bộ điều biến được tích hợp trên chip. Điều này sẽ làm tăng thêm tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như phân phối khóa lượng tử và truyền thông lượng tử nói chung. Ngoài ra, khả năng chọn độc lập khoảng cách bin Δ cho cả hai qubit, như trong Hình. 1b–g, thể hiện tính linh hoạt bổ sung trong việc chọn cơ sở cho mã hóa ngăn tần số có thể được khai thác cho kỹ thuật của nguồn.

 

Cách tiếp cận được trình bày ở đây có thể mở rộng, vì người ta có thể thiết kế và triển khai các thiết bị có nhiều hơn hai vòng tạo bằng cách tận dụng tích hợp mật độ silicon, mở ra khả năng sử dụng qudits tần số thay vì qubit đơn giản. Như đã được chứng minh trong một số đề xuất lý thuyết, khả năng như vậy sẽ có tầm quan trọng then chốt đối với nhiều ứng dụng trong các thuật toán truyền thông, cảm biến và tính toán lượng tử.26. Ngoài ra, phương pháp của chúng tôi có thể được mở rộng để tận dụng những tiến bộ gần đây trong chuyển đổi tần số toàn quang27,28 để mở rộng băng thông thao tác của các ngăn tần số, do đó cho phép người ta tăng kích thước của không gian Hilbert có thể tiếp cận lên rất nhiều.

 

Cuối cùng, cách tiếp cận của chúng tôi cho phép chúng tôi vượt qua sự đánh đổi giữa khoảng cách ngăn tần số và tốc độ tạo đặc trưng cho công việc trước đó. Đây là công cụ giúp đạt được đánh giá toàn diện về các thuộc tính của các trạng thái được tạo, có thể được thực hiện chỉ bằng cách sử dụng các thành phần sợi quang cấp viễn thông—ngoại trừ duy nhất phát hiện một photon—với mức suy hao tổng thể thấp (<4 dB) được đảm bảo bởi công nghệ toàn sợi. Độ chính xác và độ chính xác đạt được trong các phép đo của chúng tôi là công nghệ mã hóa ngăn tần số tiên tiến nhất, ngay cả khi xem xét các kết quả thu được với các nguồn số lượng lớn. vượt xa bất kỳ báo cáo nào khác cho đến nay về mã hóa ngăn tần số. Tất cả những kết quả này sẽ mở ra việc sử dụng qubit ngăn tần số như một lựa chọn thiết thực cho qubit quang tử, có khả năng kết hợp thao tác dễ dàng và độ bền để truyền đường dài.

Phương pháp

chế tạo mẫu

Thiết bị này được chế tạo tại CEA-Leti (Grenoble), trên đế Silicon-on-Insulator (SOI) 200 mm với lớp silicon kết tinh trên cùng dày 220nm trên SiO dày 2 μm2 chôn oxit. Quá trình tạo khuôn của các mạch và thiết bị quang tử silicon kết hợp kỹ thuật in khắc tia cực tím sâu (DUV) với độ phân giải 120 nm, quá trình khắc plasma kết hợp cảm ứng (được thực hiện với sự cộng tác của LTM—Laboratoire des Technologies de la Microélectronique) và O2 plasma chống tước. Quá trình ủ hydro đã được thực hiện để giảm mạnh độ nhám của thành bên ống dẫn sóng do ăn mòn29. Sau quá trình đóng gói plasma mật độ cao, oxit nhiệt độ thấp (HDP-LTO)—kết quả là SiO dày 1125 nm2 lớp—110 nm titan nitride (TiN) đã được lắng đọng và tạo khuôn mẫu để tạo ra các bộ dịch pha nhiệt, trong khi một lớp nhôm-đồng (AlCu) được sử dụng để định nghĩa miếng đệm điện. Cuối cùng, khắc sâu kết hợp hai bước khác nhau—C4F8/O2/CO/Ar plasma chạy qua toàn bộ độ dày của cả lớp phủ silica bên trên và oxit chôn vùi, tiếp theo là bước ăn mòn ion phản ứng sâu (DRIE) của Bosch để loại bỏ 150 μm chất nền Si dày 725 μm—được thực hiện để tách phần phụ xúc xắc, do đó đảm bảo các mặt bên cấp độ quang học chất lượng cao cho khớp nối giữa chip và sợi quang.

 

quang phổ tuyến tính

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn dưới dạng sơ đồ trong Hình bổ sung. 1. Đặc tính tuyến tính của mẫu được hiển thị trong Hình. 1 đã được thực hiện bằng cách quét bước sóng của tia laser có thể điều chỉnh (Santec TSL-710), với sự phân cực của nó được điều khiển bởi bộ điều khiển phân cực sợi quang (PC). Ánh sáng được ghép với mẫu ở đầu vào của ống dẫn sóng xe buýt và được thu thập ở đầu ra bằng cách sử dụng một cặp sợi thấu kính (đường kính trường chế độ danh nghĩa: 3 μm), với suy hao chèn thấp hơn 3 dB/khía cạnh. Tín hiệu đầu ra được phát hiện bởi điốt quang InGaAs được khuếch đại và được ghi lại trong thời gian thực bằng máy hiện sóng. Cấu hình cộng hưởng được điều chỉnh bằng cách giải quyết từng bộ dịch pha của bộ cộng hưởng vòng bằng các đầu dò điện được điều khiển bởi nguồn điện đa kênh.

 

đặc tính phi tuyến

Hiệu quả SFWM cho mỗi bộ cộng hưởng được đánh giá thông qua các thí nghiệm mở rộng công suất (Hình XNUMX). 2). Thông lượng của các photon làm biếng và tín hiệu được tạo ra được đo bằng cách thay đổi công suất bơm được ghép nối với từng microring trong khi vẫn giữ nguyên các cộng hưởng bằng cách tác động lên các bộ dịch pha nhiệt-điện. Phổ nguồn laze có thể điều hướng được lọc bằng bộ lọc thông dải (BP) để giảm số lượng photon giả ở tần số tín hiệu và tần số làm chậm đến từ phần khởi động của thiết lập, chủ yếu liên quan đến sự phát xạ tự phát được khuếch đại của điốt laze và huỳnh quang Raman từ sợi. Tín hiệu đã thu thập và các photon làm biếng được phân tách lần đầu tiên bằng cách sử dụng bộ ghép kênh phân chia bước sóng thô (CWDM), với sự phân tách kênh danh nghĩa 2.5 THz (20nm) và nhiễu xuyên âm được đo giữa các kênh <−80 dB. Các ngăn tần số quan tâm sau đó được lọc băng hẹp (băng thông 3 dB: 8 GHz) bằng một cặp cách tử Bragg sợi quang có thể điều hướng (FBG): bên cạnh việc chọn các ngăn tần số với độ chính xác cao, quy trình này cũng triệt tiêu bất kỳ photon băng thông rộng giả nào rơi ra bên ngoài dải tần. băng thông của bộ lọc thông dải đầu vào và không bị CWDM loại bỏ. Tín hiệu thu được và các photon làm biếng được định tuyến, sử dụng bộ tuần hoàn, tới hai máy dò đơn photon siêu dẫn (SSPD), trong đó việc đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC) được thực hiện với độ chính xác khoảng 35 ps, chủ yếu được xác định bởi độ rung của máy dò. . Một cửa sổ trùng hợp của τc = 380 ps được chọn bằng cách chọn toàn bộ chiều rộng trung bình ở mức tối đa một nửa (FWHM) của đỉnh biểu đồ. Số lượng tình cờ được ước tính từ mức nền; lưu ý rằng giá trị này không bị trừ khỏi số lần trùng hợp được đếm, nhưng chỉ được sử dụng để ước tính tỷ lệ trùng hợp ngẫu nhiên, theo công thức:

CAR=totalcountsincoinc.window-accidentalcountsincoinc.windowaccidentalcountsincoincidencewindow.CAR=totalcountsincoinc.window−accidentalcountsincoinc.windowaccidentalcountsincoincidencewindow.
(3)

Chụp cắt lớp trạng thái lượng tử

Phép đo giao thoa hai photon và chụp cắt lớp của các trạng thái lượng tử được tạo ra đã được thực hiện bằng cách bao gồm một cặp EOM cường độ (iXblue MX-LN) ở đầu ra tín hiệu và bộ tách kênh làm biếng, được điều khiển nhất quán bởi bộ tạo RF đa kênh (AnaPico APMS20G). Các dải biên quan tâm đã được chọn bằng cách điều chỉnh bước sóng dải dừng trung tâm của FBG. Địa hình của mỗi trạng thái lượng tử bao gồm 16 phép đo riêng lẻ, mỗi phép đo được thực hiện trong thời gian thu thập là 15 giây. Đối với mỗi phép đo, mỗi FBG được điều chỉnh theo một trong ba tần số dải biên thu được từ việc điều chế các thùng tín hiệu (bộ điều khiển) và pha tương đối của EOM được điều chỉnh một cách thích hợp. Ước tính ma trận mật độ được thực hiện thông qua kỹ thuật khả năng tối đa21,22. Đối với việc tạo ra các trạng thái trong {|01,|10}{|01⟩,|10⟩} (cấu hình Ψ), chúng tôi đã thêm EOM pha ở đầu vào của thiết lập, được điều khiển nhất quán bởi cùng một nguồn RF được sử dụng để chụp cắt lớp và chúng tôi đã nhập chip vào ống dẫn sóng xe buýt. Sau đó, các vòng thế hệ thứ hai được bơm bởi các dải biên thứ nhất, trong khi pha tương đối của chúng được cố định bởi pha điều chế.

 

Đo lượng qud

Đối với Z-phép đo tương quan cơ sở, một bộ tổng số máy chiếu khác nhau (cho mỗi photon) được sử dụng cho từng trạng thái cơ bản. máy chiếu |ls|mi|�⟩s|�⟩i được triển khai bằng cách đặt FBG tín hiệu (trình điều khiển) để chỉ phản ánh ngăn tần số l(m). Đối với những kết hợp mang số lượng không đáng kể (tương ứng với các thùng không tương quan tần số), tần số trung tâm của hai FBG không thể được xác định bằng cách tối đa hóa tỷ lệ trùng hợp hoặc thông lượng của các đĩa đơn trong mỗi thùng. Để khắc phục điều này, chúng tôi đã ghép một chùm tia laze thứ cấp theo hướng truyền ngược chiều của máy bơm và ghi lại ánh sáng phản xạ ngược từ mẫu. Quang phổ của cái sau được theo dõi sau khi được FBG truyền đi và đồng thời tiết lộ vị trí quang phổ của dải dừng của FBG và bốn tần số cộng hưởng của các vòng. Bằng cách này, dải dừng có thể được chồng lên với ngăn tần số mong muốn với độ chính xác cao.

Dịch "