Visão geral do dispositivo. (A) Esquema do dispositivo de microring mostrando o ressonador, canal lateral, microaquecedor (azul), e modos de dispersão. (B) Imagem do microscópio óptico do dispositivo. (C) Ilustração do processo SFWM intraresonador, mostrando mudanças de frequência ΔSPM e ΔXPM associadas à modulação de fase automática e cruzada (SPM e XPM, respectivamente). (D) Espectro de transmissão representativo do dispositivo de microring, mostrando três ressonâncias overcoupled perto de 1550 nm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
Os cientistas podem gerar luz comprimida por meio de mistura espontânea de quatro ondas fortemente impulsionada abaixo do limite em ressonadores de microroscagem de nitreto de silício. A luz gerada pode ser caracterizada com detecção homódina (para extrair informações codificadas em fase ou frequência) e por meio de medições diretas de estatísticas de fótons. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , V.D. Vaidya, e uma equipe de cientistas no Canadá e nos EUA mediu o vácuo comprimido em quadratura e a diferença de número de fótons gerada em um dispositivo nanofotônico integrado. Os resultados impactarão aplicações em tecnologia quântica.
O conceito de luz comprimida é relevante no processamento óptico quântico, onde as arquiteturas associadas de fotônica variável contínua exigem alta qualidade, dispositivos escaláveis para gerar luz comprimida para muitas aplicações fundamentais de processamento de informações quânticas fotônicas. Os exemplos incluem computação quântica de variável contínua (CV) e amostragem de bóson gaussiano, que é um caminho promissor para alcançar vantagem quântica quase térmica e acomodar uma variedade de conceitos intrigantes, incluindo simulações de espectro vibrônico molecular, isomorfismo de gráfico, combinações perfeitas e semelhança de gráfico.
Luz comprimida para processamento óptico quântico
A maioria dessas aplicações quânticas requer uma fonte escalonável de luz comprimida para implementar e aprimorar a detecção óptica perto do limite quântico. A fotônica integrada é uma plataforma natural para explorar essas fontes de luz comprimida escalonáveis, onde a estabilidade e a capacidade de fabricação de alto rendimento oferecidas por métodos litográficos modernos (padronização) apresentam caminhos promissores para realizar tecnologias quânticas úteis em escala. Contudo, o progresso até agora na compressão integrada do chip é limitado. No presente estudo, Portanto, Vaidya et al. usaram a mistura espontânea de quatro ondas (SWFM) em ressonadores de microroscagem de nitreto de silício para fornecer uma tecnologia madura e prontamente acessível em plataformas de fabricação comercial.
Aperto de quadratura. (A) Visão geral da configuração experimental. Detalhes no texto principal e nos Materiais Complementares. WDMs, componentes de multiplexação por divisão de comprimento de onda. LO, oscilador local; EDFA, amplificador de fibra dopada com érbio; PLL, loop de fase bloqueada; VOA, atenuador óptico variável; PC, controlador de polarização; PID, derivada integral proporcional. (B) Variância de quadratura (linha preta) em relação ao ruído de disparo (linha cinza) em função do tempo, enquanto a fase do oscilador local é acelerada, exibindo 1,0 (1) dB de compressão. Os traços são obtidos a partir das flutuações de fotocorrente do detector homódino monitoradas em um analisador de espectro elétrico no modo de amplitude zero na frequência de banda lateral de 20 MHz, com uma largura de banda de resolução de 1 MHz e uma largura de banda de vídeo de 300 Hz. (C) Variâncias de quadratura máxima e mínima em função da potência da bomba para a banda lateral de 20 MHz, mostrando a escala de potência das quadraturas comprimidas e antiesqueezed. As linhas tracejadas superior e inferior são obtidas por ajuste à equação derivada no estudo; o nível de ruído de tiro é mostrado (linha tracejada em 0 db). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
O próprio dispositivo experimental tinha dimensões simples, onde a quadratura e a diferença de número de fótons podem ser geradas em nitreto de silício (Si 3 N 4 ) ressonadores microring, ponto acoplado a guias de ondas de canal. A configuração também incluiu microaquecedores sobrepostos para ajuste e estabilização do comprimento de onda de ressonância. Os cientistas usaram uma fundição comercial para a fabricação, onde o guia de ondas continha nitreto de silício totalmente revestido com dióxido de silício (SiO 2 ) A equipe usou SWFM para gerar compressão e formar um par de fótons sinal e ocioso. A configuração experimental permitiu compressão de quadratura significativa em níveis de potência de entrada modestos. A equipe mediu as estatísticas de quadratura e número de fótons do dispositivo e comparou os resultados com as previsões teóricas.
Aperto de quadratura - o experimento
A equipe caracterizou o estado quântico da saída do ressonador como um estado de vácuo comprimido de dois modos sujeito a perda, onde a perda surgiu da eficiência de escape imperfeita da cavidade e perdas a jusante no ponto de acoplamento do chip. Os cientistas entenderam esse estado como um produto de dois estados compactados de modo único:cada um tendo um suporte de frequência tanto no sinal quanto na ressonância do idler. Vaidya et al. mediu as variâncias de quadratura dos modos de interesse usando detecção homódina balanceada, um método que permitiu a extração de informações codificadas como a fase ou frequência de um sinal oscilante.
Espectro de frequência de compressão e anti-compressão de 20 MHz a 1 GHz em diferentes níveis de potência da bomba. As potências listadas são valores inferidos no chip no guia de onda de entrada. A linha tracejada é o nível de ruído do disparo; exibição de linhas sólidas se ajusta ao modelo teórico, mostrando forte concordância com os dados medidos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
Aperto de diferença de número de fótons. (A) Visão geral da configuração experimental. Detalhes no texto principal e nos Materiais Complementares. (B) Variância da diferença do número de fótons medida VΔn como uma função do número médio de fótons ntot, obtido pela variação da potência da bomba, para estados coerentes (cinza) e estados compactados (preto) com ajustes lineares (linhas sólidas). A inclinação reduzida para o estado comprimido representa a compressão da diferença do número de fótons. Detalhe:Razão entre a variância da diferença numérica e o número médio de fótons como uma função do número médio de fótons para estados coerentes (cinza) e estados comprimidos (preto). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba9186
Durante o experimento, a equipe acoplou uma bomba de onda contínua ao chip para extrair luz por meio de acopladores de borda de baixa perda. A bomba excitou uma única ressonância do microring no chip para gerar luz através de múltiplos pares de sinais e tensores. A equipe selecionou um par de modos de sinal e idler com filtros de comprimento de onda fora do chip para análise. Eles então produziram um oscilador local bicromático e o combinaram com o sinal e a luz intermediária em um divisor de feixe de fibra ajustável. Com base nos resultados, os cientistas estimaram cerca de 4 dB de compressão para estar disponível na saída de monitoramento no chip, e obteve compressão de banda larga, limitado por larguras de linha de ressonância. Contudo, além de perdas e limitações de potência da bomba, a presença de ruído muito limitado de compressão leve. Para evitar compressão de luz corrompida em dispositivos, Portanto, a equipe avaliou a presença de excesso de ruído no sistema, dentro da banda de compressão e propôs outras etapas de otimização para melhorar a precisão e avaliar melhor o efeito.
Correlações de número de fótons
Embora as medições homódinas avaliassem com precisão a compressão da quadratura, a equipe também verificou a compatibilidade de uma fonte de luz comprimida com a contagem de fótons. Os cientistas realizaram detecção de resolução de números na saída do dispositivo, para este experimento, eles usaram um ressonador microring com uma seção transversal mais ampla. Vaidya et al. em seguida, separou o sinal e o polidor gerado na configuração e os filtrou por meio de componentes de multiplexação por divisão de comprimento de onda. Eles então acoplaram a saída a sensores de borda de transição de resolução de número de fótons (TESs) supercondutores para fornecer resolução de número de fótons para cerca de 10 fótons por canal. Os cientistas registraram uma característica notável no trabalho, onde detectaram uma alta taxa de eventos multifotônicos correlacionados. Os resultados mostraram a geração de 'estados de muitos fótons' em uma plataforma nanofotônica em taxas muito mais altas para motivar o desenvolvimento de aplicações que exigem fontes de luz comprimidas.
Desta maneira, V. D. Vaidya e colegas geraram estados compactados temporais quase únicos sem efeitos especiais de engenharia devido à natureza ressonante da configuração. As perdas foram o principal fator limitante do desempenho, que pode ser melhorado para obter fatores de qualidade de ressonador mais elevados para melhores efeitos de compressão de luz. A equipe propõe melhorar a relação sinal-ruído para melhorar a eficiência de geração, reduzindo a quantidade de energia necessária para funcionar no nível desejado de compressão. Isso também reduzirá o número de fótons gerados devido ao espalhamento Raman espontâneo nos componentes da fibra que constituem o dispositivo. Deve-se tomar cuidado durante a supressão de ruído para evitar a supressão do esquema experimental. A equipe irá naturalmente formar as próximas etapas para projetar fontes de luz comprimida com chip integrado.
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