Em um estudo recente agora publicado em Light:Ciência e Aplicações , Ming Zhang, Lan-Tian Feng e uma equipe interdisciplinar de pesquisadores dos departamentos de informação quântica, física quântica e instrumentação óptica moderna na China, detalhou uma nova técnica para gerar pares de fótons para uso em dispositivos quânticos. No estudo, eles usaram um método conhecido como mistura de quatro ondas para permitir que três campos eletromagnéticos interajam e produzam um quarto campo. A equipe criou os estados quânticos em um guia de ondas espiral nanofotônico de silício para produzir brilhantes, sintonizável, estados quânticos multifotônicos estáveis ​​e escaláveis. A tecnologia é comparável aos processos de fabricação de fibra e circuito integrado existentes para preparar o caminho para a engenharia de uma gama de tecnologias quânticas fotônicas de nova geração para aplicações em comunicação quântica, computação e imagem. As fontes quânticas multifóton detalhadas no trabalho desempenharão um papel crítico para melhorar a compreensão existente da informação quântica.

Os cientistas geraram estados quânticos multifotônicos usando um guia de onda nanofotônico de silício único e detectaram estados de quatro fótons com uma baixa potência de bomba de 600 µW para obter interferência quântica multifotônica experimental verificada com tomografia de estado quântico. Zhang e Feng et al. registrou as visibilidades de interferência quântica em um valor superior a 95 por cento com alta fidelidade. A fonte quântica multifotônica é totalmente compatível com processos on-chip de manipulação quântica e detecção quântica para formar circuitos integrados fotônicos quânticos em grande escala (QPICs). O trabalho tem potencial significativo para pesquisa quântica multifotônica.

Fontes quânticas multifotônicas são críticas para construir várias plataformas práticas para comunicação quântica, computação, simulação e metrologia. Os físicos têm feito grandes esforços para obter alta qualidade, estados quânticos multifotônicos brilhantes e escalonáveis ​​em trabalhos anteriores, para ativar tecnologias quânticas poderosas pela multiplexação de várias fontes de bifótons para gerar emaranhamento de oito e dez fótons. Contudo, a eficácia de tais sistemas de multiplexação diminuiu com o número de fótons emaranhados. Atualmente, os circuitos integrados fotônicos quânticos (QPCIs) e a tecnologia de silício sobre isolante (SOI) continuam promissores para realizar fontes de pares de fótons de alta qualidade.

O silício tem várias vantagens como substrato para implementar QPICs, que incluem não linearidade óptica de terceira ordem do material e contraste de índice de refração ultra-alto para aplicações como guias de onda nanofotônicos SOI. O silício também é compatível com processos semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) - atraente para integração fotônica em grande escala. Embora essas vantagens tenham permitido aos físicos realizar experimentalmente fontes quânticas bifotônicas, estados quânticos multifotônicos no silício ainda precisam ser gerados e relatados.

No presente trabalho, Zhang et al. gerou polarização de quatro fótons que codifica estados quânticos usando mistura de quatro ondas espontânea degenerada (SFWM) em um guia de onda espiral de silício. Os cientistas demonstraram pela primeira vez estados quânticos de emaranhamento de Bell bifóton com alto brilho (270 kHz) e uma alta coincidência para razão acidental (CAR, aproximando-se de 230) em uma baixa potência de bomba (120 µW). Depois disso, usando os dois estados emaranhados de Bell bifóton, Zhang et al geraram o estado quântico de quatro fótons (com uma potência de bomba tão baixa quanto 600 µW). Os cientistas projetaram este estado de produto quântico para formar um estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHz) (ou seja, um estado na teoria da informação quântica com pelo menos três subsistemas ou partículas) com 50 por cento de probabilidade para uso posterior em aplicações de informação quântica.

Zhang et al. construiu a configuração experimental em três partes para conter o (1) modulador de bomba de laser, (2) a fonte de fótons e (3) o analisador de estado. No modulador de laser de bomba, eles introduziram um laser de fibra dopada com érbio de pulso polarizado linearmente como a fonte da bomba com uma frequência de repetição de 100 MHz e um tempo de duração de pulso de 90 femtossegundos (fs). Os cientistas coordenaram a bomba de luz para passar por um pré-filtro de largura de banda de 100 GHz, seguido por um controlador de polarização (PC) e um circulador óptico para finalmente se acoplar à fonte de fótons. Eles calcularam o tempo de coerência do pulso de luz laser em 20 picossegundos (ps) após passar pelo pré-filtro de largura de banda de 100 GHz e a perda de propagação no guia de onda espiral de silício foi de aproximadamente 1 dB / cm.

Em comparação com estados quânticos multifotônicos propostos com processos anteriores de mistura espontânea de quatro ondas (SFWM), o presente trabalho usou uma fonte de nanofio de silício com dispersão de banda larga próxima de zero. A configuração experimental com o nanofio de silício não demonstrou ruído de espalhamento Raman, o que, portanto, aumentou muito o número de pares de fótons gerados. Ao contrário dos microrressonadores, Zhang et al. não precisou ajustar o comprimento de onda de operação na configuração experimental, uma vez que eles usaram guias de onda em espiral de silício em vez disso. Os cientistas usaram acopladores de grade para acoplar a luz da bomba e acoplar os pares de fótons gerados na configuração. Como parte da fonte de fótons, Zhang et al. usou uma configuração com um interferômetro Sagnac - um esquema popular e autoestabilizado para gerar estados emaranhados de polarização.

O interferômetro Sagnac experimental continha duas placas de meia onda (HWPs), placas de dois quartos de onda (QWPs), um divisor de feixe de polarização (PBS) e o guia de onda espiral de silício com comprimento aproximado de 1 cm para formar uma estrutura simples e pegada compacta (170 x 170 µm ² ) Os cientistas usaram o HWP e o QWP combinados inseridos entre o PBS e o chip para controlar a polarização óptica e maximizar a eficiência de acoplamento de um par de fótons. No experimento, os pares de fótons gerados no chip (fótons intermediários e de sinal) podem ser sobrepostos juntos em ambas as direções (sentido horário e anti-horário) para a saída do loop Sagnac. Neste ponto, os cientistas usaram um filtro denso de multiplexação por divisão de comprimento de onda (DWDM) (técnica de transmissão de fibra óptica) para separar o sinal e os fótons ociosos, ou demultiplexá-los. Eles foram, portanto, capazes de selecionar livremente os pares de fótons de qualquer canal de frequência combinado por meio da dessintonia de frequência. Os cientistas notaram que depois de passar pelos filtros DWDM, a polarização e os estados quânticos dos pares de fótons permaneceram inalterados.

Zhang et al. em seguida, caracterizou a qualidade do estado de bifóton gerado no experimento. Por esta, eles selecionaram cinco pares de canais de frequência usados ​​no estudo para gerar o sinal e os fótons intermediários, para testar a estabilidade do sistema. Eles mediram as coincidências de dois fótons entre diferentes combinações de canais de sinal e ociosos e mostraram que a diafonia era desprezível para a maioria dos canais de frequência. Depois de calcular o estado de Bell emaranhado de polarização máxima, eles confirmaram a existência de emaranhamento e alta fidelidade do estado bifóton. Eles creditaram a alta razão coincidência-acidental (CAR) observada ao ruído não linear ultrabaixo na configuração; necessário para gerar o emaranhamento multifotônico para outras aplicações de informações quânticas.

Para uma caracterização completa, os cientistas realizaram a tomografia de estado quântico para reconstruir a arquitetura da matriz de densidade do estado experimental, completando várias medições do estado quântico relevante. Os resultados confirmaram que os estados quânticos de bifótons gerados são de alta qualidade para se aproximar dos estados maximamente emaranhados ideais.

Os cientistas, então, geraram estados emaranhados multifotônicos, multiplexando os estados bifotônicos em canais de frequência diferentes. Eles obtiveram uma taxa de coincidência de quatro vezes e mostraram o estado de quatro fótons observado como o produto tensorial de dois estados de Bell emaranhados por bifótons. Os padrões de interferência de quatro fótons concordaram com a previsão teórica, para se desdobrar de maneira diferente dos estados emaranhados de bifótons previamente observados. Com base nos resultados de um padrão claro de interferência e visibilidades de alta interferência, Zhang et al. verificou a viabilidade da técnica experimental para estabelecer estados quânticos multifotônicos no chip. Como antes, os cientistas obtiveram tomografia de estado quântico dos estados quânticos de quatro fótons para reconstruir a matriz de densidade, produzindo resultados satisfatórios para outras aplicações de informações quânticas.

Desta maneira, os cientistas demonstraram experimentalmente a geração de estados quânticos de quatro fótons usando um guia de onda espiral nanofotônico de silício. Zhang et al. visam melhorar a eficiência de coleta de fótons para aumentar o número de fótons emaranhados no sistema no futuro. A fonte de estado quântico multifotônica desenvolvida no estudo é compatível com as arquiteturas contemporâneas de fibra e escala de chip para produção em larga escala. Zhang et al. portanto, propor a integração dos recursos atraentes como uma plataforma escalável e prática para futuras aplicações de processamento quântico.

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