Um diagrama esquemático de um circuito quântico compacto miniaturizado com manipulação ativa e precisa em guias de onda LiNbO3. (A) Efeito de agrupamento HOM de fótons indistinguíveis em um divisor de feixe (BS). (B) Esquemas de um experimento HOM típico usando componentes ópticos em massa. Todas as funcionalidades da caixa amarela estão integradas ao chip. (C) Esquema do chip óptico quântico integrado com fonte PDC (conversão paramétrica descendente) monoliticamente integrada, conversores de polarização eletro-óptica (PCs), divisor de feixe de polarização (PBS), e divisor de feixe (BS). As linhas cinzas denotam os guias de onda indifundidos por Ti. Na seção PDC periodicamente polida, pares de fótons polarizados ortogonalmente (H e V) são gerados. No PC0 subsequente, a conversão completa muda o estado de polarização de ambos os fótons de horizontal (H) para vertical (V) e vice-versa por meio da aplicação das tensões de controle U0. Esses fótons são separados espacialmente pelo PBS. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
Os físicos prevêem que o futuro das redes de computação quântica conterá escalonáveis, circuitos monolíticos, que incluem funcionalidades avançadas em um único substrato físico. Embora um progresso substancial já tenha sido feito para uma variedade de aplicativos em diferentes plataformas, a gama de diversos estados fotônicos que podem ser manipulados sob demanda em um único chip permanece limitada. Isso é observado especificamente para gerenciamento de tempo dinâmico em dispositivos quânticos.
Em um estudo recente, agora publicado em Avanços da Ciência , Kai-Hong Luo e colegas de trabalho demonstram um dispositivo eletro-óptico, que incluiu funcionalidades dinâmicas de geração de pares de fótons, propagação e roteamento de caminho eletro-óptico. O dispositivo continha retardo de tempo controlável por voltagem de aproximadamente 12 picossegundos em um único Ti:LiNbO 3 (niobato de lítio indifundido de titânio) chip de guia de onda.
Como prova de princípio, os físicos do departamento interdisciplinar de física, optoeletrônica e fotônica demonstraram a interferência de Hong-Ou-Mandel com uma visibilidade de mais de 93 ± 1,8 por cento. O chip desenvolvido por Luo et al. no estudo permitiu a manipulação deliberada de estados fotônicos, girando a polarização. Experimentos revelaram que os físicos podiam exercer plenamente, controle flexível em operações de qubit único, aproveitando o potencial completo da modulação eletro-óptica rápida no chip.
Na década passada, uma variedade de materiais foi usada para desenvolver circuitos ópticos para portas quânticas, interferência quântica, metrologia quântica, amostragem de bósons e caminhadas quânticas. Esses circuitos foram desenvolvidos em materiais, incluindo vidro, nitreto de silício, silício em isolador e sílica em silício. Em comparação, o desenvolvimento de dispositivos fotônicos integrados com base em não linearidades de segunda ordem permaneceu lento, apesar da eficiência de explorar o X (2) não linearidades. Mesmo com o sucesso de acopladores sintonizáveis e deslocadores de fase controlados por tensão, o potencial total de roteamento eletro-óptico ativo rápido e rotação de fótons polarizados em circuitos quânticos ainda precisam ser aproveitados.
Ilustração esquemática do efeito de agrupamento HOM de fótons indistinguíveis em um Divisor de Feixe. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
O objetivo de Luo et al. foi demonstrar a manipulação deliberada de estados fotônicos por meio de polarização precisa e regulação de tempo em um único dispositivo de circuito quântico. Por esta, eles se concentraram nas interferências de Hong-Ou-Mandel (HOM), entre os experimentos não clássicos mais fundamentais em óptica quântica. O HOM está no centro de muitas operações de lógica quântica, como amostragem de bóson, Medição do estado de sino para repetidores quânticos e Knill, Protocolo de Laflamme e Milburn para computação quântica. No entanto, uma abordagem prática ainda não foi produzida em um chip integrado para conter todas as funcionalidades, e com a capacidade de manipular estados quânticos sob demanda no experimento HOM completo.
No presente estudo, Luo et al. ofereceu um projeto de circuito eletro-óptico integrado que poderia realizar várias operações em um único Ti:LiNbO 3 chip de guia de ondas. As operações integradas incluíram:
Para todas as operações de lógica quântica, a sincronização temporal de um estado manipulado é uma exigência fundamental. Como resultado, atrasos rápidos e controláveis eletro-opticamente no chip são inclusões cruciais para todas as aplicações quânticas.
Painel superior:ilustração esquemática do chip óptico quântico integrado com inclusões monolíticas de uma fonte PDC (20,7 mm), PCs eletro-ópticos (7,62 mm), PBS, destacado em verde (4,0 mm), BS destacado em azul, e um único elemento dos conversores segmentados (PC1 a PC10; 2,54 mm cada). Painel inferior:Caracterização clássica do circuito integrado. A) Potência normalizada da onda de segundo harmônico (SH) gerada na seção PDC com um período de poling de ΔPDC =9,04 µm em função do comprimento de onda fundamental, que é de um laser de telecomunicações sintonizável com largura de banda estreita. (B) Características de transmissão espectral de PC0 e as várias combinações triplas do PC segmentado (com um período de polarização de ΔPC =21,4 µm). Os cientistas obtiveram as curvas lançando luz incoerente de banda larga na faixa de telecomunicações e medindo a potência não convertida por trás de um polarizador. As curvas são normalizadas para um espectro de transmissão de referência obtido sem conversão. (C) Dependência da temperatura dos dois processos de correspondência de fase (PDC e PC). O cruzamento das duas curvas determina o ponto de operação ideal, que está a T =43,6 ° C e λ =1551,7 nm. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
O efeito HOM pode ser produzido experimentalmente por um divisor de feixe (BS). Durante o efeito, dois fótons idênticos que entram em um divisor de feixe de portas de entrada opostas se agrupam e saem na mesma porta de saída. Para demonstrar esse efeito quântico em um experimento HOM óptico, os físicos geraram pares de fótons (fótons de sinal e ocioso), e, em seguida, separou-os espacialmente com um divisor de feixe de polarização (PBS). Após a rotação de polarização e a introdução de um atraso de tempo variável entre os fótons, eles foram recombinados em um divisor de feixe simétrico (BS), onde a interferência quântica ocorreu. Para fabricação de circuito monolítico, os físicos usaram o Ti:LiNbO 3 plataforma, que explorou o forte X (2) não linearidade durante a geração de pares de fótons e manipulação eletro-óptica dos qubits.
Luo et al. em seguida, introduziu o conceito de atraso eletro-óptico birrefringente (BED) para superar um atraso birrefringente intrínseco (refração dupla da luz) no meio não linear. O método aproveitou a conversão de polarização eletro-óptica e a birrefringência do próprio material para permitir a regulação precisa do tempo no chip.
O projeto do circuito complexo continha vários componentes diferentes que já foram otimizados como dispositivos individuais, os cientistas fabricaram os guias de onda por indifusão de Ti para orientação monomodo em ambas as polarizações. Mais importante, no dispositivo eletro-óptico monolítico no chip, o atraso relativo entre o sinal e os fótons intermediários requeria um ajuste por meio do controlador de polarização segmentado. Outro critério importante era o comprimento de todo o dispositivo, que teve que ser mantido o mais curto possível para fabricar estruturas homogêneas.
Ilustração do princípio da linha BED ajustável. (A) O diagrama mostra o design do chip junto com algumas inserções ilustrando a relação temporal dos pacotes de onda de fótons polarizados horizontalmente (vermelho) e verticalmente (azul) em diferentes posições da estrutura e para várias configurações dos PCs. Caso I:Se o PC0 estiver desligado, então, o walk-off temporal aumenta ao longo da estrutura. O atraso de tempo entre os dois fótons pode ser variado, dependendo de qual elemento do conversor segmentado está ligado; Contudo, os dois fótons nunca chegarão simultaneamente ao BS (o efeito HOM não é experimentalmente observado). Caso II:Se o PC0 estiver ligado, então, o fóton originalmente polarizado horizontalmente pode ultrapassar o outro fóton antes que cheguem ao PC segmentado. Uma chegada simultânea dos dois fótons ao BS pode ser alcançada se um determinado elemento do PC segmentado for endereçado para cumprir o efeito HOM. (B) Atraso de tempo calculado dos fótons no BS em função do elemento do PC segmentado, em que a troca final da polarização é executada. O diagrama mostra o resultado para os dois casos de PC0 ligado e desligado. A linha pontilhada indica a sincronização de tempo entre os dois fótons polarizados. Os parâmetros usados para os cálculos são adaptados à geometria do dispositivo fabricado - comprimentos da seção PDC (20,7 mm), PC0 (7,62 mm), a seção PBS (4,0 mm), e um único elemento dos conversores segmentados (2,54 mm). Uma diferença de índice de grupo Δng =0,0805 é derivada das equações de Sellmeier de LiNbO3 (λ =1551,7 nm). Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
Os cientistas geraram pares de fótons na seção de conversão paramétrica descendente (PDC) (um processo óptico instantâneo não linear que converteu um fóton de alta energia em um par de fótons), que continha o guia de onda de modo único indifundido de Ti. Para o chip HOM, era essencial que os pares de fótons gerados se degenerassem. O ponto de degeneração pode ser ajustado variando a temperatura, com uma inclinação de sintonia de aproximadamente - 0,15 nm / 0 C. O dispositivo continha um acoplador direcional projetado especificamente para atuar como um divisor de feixe de polarização (PBS) para separar espacialmente os fótons polarizados ortogonalmente.
Elementos-chave do sistema BED desenvolvido por Luo et al. conversores de polarização eletro-ótica (PCs) incluídos. Esses conversores continham um guia de ondas periodicamente polido, com eletrodos em cada lado. No projeto de circuito ilustrado do chip óptico quântico integrado, os físicos colocaram o primeiro PC (PC 0 ) diretamente atrás da seção PDC. Isso foi seguido por um PC segmentado 10 (PC 1 para o PC 10 ; contendo 10 elementos eletro-ópticos) em um ramal, após a região do divisor de feixe de polarização (PBS). O divisor de feixe (BS), continha dois guias de ondas separados por uma lacuna de 6 µm de largura.
Configuração experimental e resultados quânticos. (A) Configuração experimental para caracterização quântica do chip HOM ativo. Um laser de bomba de onda contínua de banda estreita sintonizável em torno de 776 nm é acoplado ao canal com a fonte de PDC. Para evitar a geração de pares de fótons de ordem superior, a potência da bomba é mantida na faixa de 100 µW. Um controlador de temperatura controla e estabiliza a distribuição de temperatura previamente determinada da amostra. As duas portas de saída do chip são acopladas diretamente a um par de fibras monomodo por meio de isoladores de fibra óptica para suprimir a luz residual da bomba e um filtro passa-banda de 1,2 nm para suprimir os fótons de fundo, os fótons transmitidos são detectados com detectores de nanofios supercondutores (SNSPDs) e conversor de tempo para digital (TDC). B) Resultados experimentais e simulados da taxa de coincidência normalizada em função de qual triplo do PC segmentado é acionado. Os dados e a curva azuis são para PC0 desligado, enquanto os dados e a curva em vermelho são para PC0 ativado. No experimento, apenas sete triplos do PC segmentado puderam ser endereçados porque o eletrodo do PC10 foi quebrado. Portanto, apenas 14 atrasos diferentes foram possíveis. (C) Perfis experimentais e simulados do mergulho HOM derivados dos resultados de coincidência mostrados em (B) e o atraso de tempo calculado correspondente. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aat1451
Os cientistas ilustraram o princípio de funcionamento do sistema BED ajustável para mostrar como a diferença de índice de grupo calculada ∆n g causou um afastamento temporal entre um par de fótons. Dependendo do status ligado / desligado do PC 0 , os estados de polarização (horizontal ou vertical) do par de fótons permanecem inalterados ou trocados para separar espacialmente no PBS para demonstrar o efeito HOM.
Quando PC 0 foi ligado, polarizações do par de fótons trocadas para chegar simultaneamente ao PC segmentado (com 10 segmentos eletro-ópticos:PC 1 para o PC 10 ) Os cientistas mostraram como a chegada simultânea de dois fótons no divisor de feixe (BS) pode ser alcançada experimentalmente. Luo et al. também mostrou que o atraso de tempo relativo entre os dois fótons nas portas de entrada do divisor de feixe pode ser ajustado com precisão entre ~ 1,3 ps a mais de 12 ps para gerenciamento de tempo dinâmico no dispositivo.
Os cientistas implementaram a configuração de medição proposta de todo o experimento quântico no laboratório, incluindo uma bomba externa, filtros de fibra e unidades de detecção. Para confirmar que a interferência de dois fótons do estudo está no regime quântico para dois fótons perfeitamente idênticos, as taxas de contagem de coincidência (usadas para testar o emaranhamento quântico) entre as duas saídas de guia de ondas detectadas devem cair para zero. Adicionalmente, para provar a interferência quântica, a queda (queda) das coincidências deve ter uma visibilidade além do valor classicamente esperado de 50 por cento. Luo et al. calculou a visibilidade da interferência HOM em 93,5 ± 1,8 por cento, um valor significativamente maior do que o limite clássico, verificar a natureza quântica da interferência de dois fótons no chip.
Desta maneira, os físicos demonstraram amplamente um circuito eletro-óptico quântico que poderia manipular ativamente os estados dos fótons para gerenciamento de tempo ajustável dentro de um dispositivo monoliticamente integrado. Eles usaram um chip HOM de dois fótons com uma fonte de pares de fótons para manipulação de polarização ativa. O trabalho cria uma nova abordagem para circuitos eletro-ópticos integrados e abre uma porta para aproveitar o tremendo potencial de manipulação de qubit em Ti:LiNbO 3, para aplicações quânticas. O dispositivo abre caminho para futuras operações lógicas quânticas, hiperemaranhamento e processamento ultrarrápido visto com fibra óptica, ainda raramente usado em óptica quântica.
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