Προγραμματιζόμενες κβαντικές καταστάσεις του κάδου συχνότητας σε μια νανο-μηχανική συσκευή πυριτίου

[et_pb_section fb_built=”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″position background_size=”initial” ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ background_size=”initial” background_position=”top_left” background_repeat=”repeat” global_colors_info

Περίληψη

Τα φωτονικά qubits θα πρέπει να είναι ελεγχόμενα στο chip και ανεκτικά στο θόρυβο όταν μεταδίδονται μέσω οπτικών δικτύων για πρακτικές εφαρμογές. Επιπλέον, οι πηγές qubit θα πρέπει να είναι προγραμματιζόμενες και να έχουν υψηλή φωτεινότητα για να είναι χρήσιμες για κβαντικούς αλγόριθμους και να παρέχουν ανθεκτικότητα σε απώλειες. Ωστόσο, τα ευρέως διαδεδομένα σχήματα κωδικοποίησης συνδυάζουν μόνο δύο από αυτές τις ιδιότητες. Εδώ, ξεπερνάμε αυτό το εμπόδιο επιδεικνύοντας ένα προγραμματιζόμενο νανο-φωτονικό τσιπ πυριτίου που δημιουργεί μπερδεμένα φωτόνια με κάδο συχνότητας, ένα σχήμα κωδικοποίησης συμβατό με μετάδοση μεγάλης εμβέλειας μέσω οπτικών ζεύξεων. Οι εκπεμπόμενες κβαντικές καταστάσεις μπορούν να χειριστούν χρησιμοποιώντας υπάρχοντα στοιχεία τηλεπικοινωνιών, συμπεριλαμβανομένων ενεργών συσκευών που μπορούν να ενσωματωθούν σε φωτονική πυριτίου. Ως επίδειξη, δείχνουμε ότι το τσιπ μας μπορεί να προγραμματιστεί για να δημιουργήσει τις τέσσερις υπολογιστικές βασικές καταστάσεις και τις τέσσερις μέγιστα μπερδεμένες καταστάσεις Bell ενός συστήματος δύο qubits. Η συσκευή μας συνδυάζει όλες τις βασικές ιδιότητες της δυνατότητας αναδιαμόρφωσης κατάστασης στο chip και της πυκνής ενσωμάτωσης, ενώ παράλληλα εξασφαλίζει υψηλή φωτεινότητα, πιστότητα και καθαρότητα.

Εισαγωγή

Τα φωτόνια χρησιμεύουν ως εξαιρετικοί φορείς κβαντικών πληροφοριών. Έχουν μεγάλους χρόνους συνοχής σε θερμοκρασία δωματίου και αποτελούν την αναπόφευκτη επιλογή για τη μετάδοση κβαντικών πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις, είτε σε ελεύθερο χώρο είτε μέσω του δικτύου οπτικών ινών. Η εκκίνηση της κβαντικής κατάστασης είναι μια ιδιαίτερα σημαντική εργασία για τα φωτονικά qubit, καθώς η προσαρμογή της εμπλοκής μετά την εκπομπή δεν είναι τετριμμένη. Οι στρατηγικές αρχικοποίησης εξαρτώνται από τον βαθμό ελευθερίας που χρησιμοποιείται για την κωδικοποίηση κβαντικών πληροφοριών και η πιο κοινή επιλογή για κβαντική επικοινωνία μέσω οπτικών καναλιών είναι η κωδικοποίηση time-bin¹. Εδώ, τα επίπεδα δύο qubit αποτελούνται από το ότι το φωτόνιο βρίσκεται σε ένα από τα παράθυρα δύο χρόνου, που γενικά χωρίζονται από μερικά νανοδευτερόλεπτα. Η κωδικοποίηση Time-bin είναι εξαιρετικά ανθεκτική στις διακυμάνσεις φάσης που προκύπτουν από θερμικό θόρυβο στις οπτικές ίνες, με τα qubits να διατηρούν τη συνοχή τους ακόμη και σε εκατοντάδες χιλιόμετρα^2,3. Ωστόσο, ο έλεγχος της κατάστασης στην οποία παράγονται τα φωτόνια που μπερδεύονται με τον κάδο χρόνου είναι δύσκολος και μη πρακτικός στις αναδυόμενες νανο-φωτονικές πλατφόρμες. Για τον χειρισμό καταστάσεων qubit στο τσιπ, η κωδικοποίηση dual-rail, στην οποία οι δύο καταστάσεις ενός qubit αντιστοιχούν στο φωτόνιο που διαδίδεται σε έναν από τους δύο οπτικούς κυματοδηγούς, είναι μια ανώτερη στρατηγική^4,5 και είναι επομένως μια κοινή επιλογή για κβαντικούς υπολογιστές και κβαντική προσομοίωση σε ολοκληρωμένες πλατφόρμες. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν είναι εύκολα συμβατή με ζεύξεις μετάδοσης μεγάλων αποστάσεων που χρησιμοποιούν είτε οπτικές ίνες είτε κανάλια ελεύθερου χώρου.

Πρόσφατα, η κωδικοποίηση συχνοτήτων έχει προταθεί και αποδειχθεί πειραματικά, ως μια ελκυστική στρατηγική που μπορεί να συνδυάσει τα καλύτερα χαρακτηριστικά κωδικοποιήσεων time-bin και dual-rail^{6,7,8,9,10,11}. Σε αυτή την προσέγγιση, οι κβαντικές πληροφορίες κωδικοποιούνται από το φωτόνιο που βρίσκεται σε μια υπέρθεση διαφορετικών ζωνών συχνοτήτων. Οι κάδοι συχνότητας μπορούν να χειριστούν χρησιμοποιώντας διαμορφωτές φάσης και είναι ανθεκτικοί στο θόρυβο φάσης στη διάδοση σε μεγάλες αποστάσεις. Πρωτοποριακές μελέτες έχουν διερευνήσει τη δημιουργία και τον χειρισμό φωτονίων που εμπλέκονται με κάδο συχνότητας σε ολοκληρωμένους συντονιστές. Έχουν εξετάσει την τομογραφία κβαντικής κατάστασης εμπλεκόμενων ζευγών φωτονίων¹², κωδικοποίηση qudit¹³και εμπλεκόμενες καταστάσεις πολλαπλών φωτονίων¹⁴. Τα πειραματικά αποτελέσματα ήταν όλα επιτεύξιμα χάρη στην πρόσφατη ανάπτυξη ολοκληρωμένων συντονιστών υψηλής Q στις πλατφόρμες νιτριδίου του πυριτίου και οξυνιτριδίου του πυριτίου.

Παρά όλη αυτή την πρόοδο, ορισμένα εμπόδια πρέπει να ξεπεραστούν για να αξιοποιηθεί πλήρως το πλεονέκτημα της φωτονικής ολοκλήρωσης. Στην κωδικοποίηση του κάδου συχνοτήτων σήμερα, η δημιουργία ζευγών φωτονίων λαμβάνει χώρα μέσω αυθόρμητης ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων σε συντονιστή ενός δακτυλίου, με την επιθυμητή κατάσταση να επιτυγχάνεται εκτός του τσιπ, χρησιμοποιώντας ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές και/ή διαμορφωτές παλμών. Και δεδομένου ότι οι εμπορικοί διαμορφωτές έχουν περιορισμένο εύρος ζώνης, το εύρος συχνοτήτων που χωρίζει τα φωτόνια δεν μπορεί να υπερβαίνει μερικές δεκάδες gigahertz, γεγονός που θέτει ένα όριο στη μέγιστη ελεύθερη φασματική περιοχή του συντονιστή. Τέλος, επειδή η απόδοση της αυθόρμητης ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων κλιμακώνεται τετραγωνικά με το φασματικό εύρος χωρίς συντονιστή¹⁵, υπάρχει επίσης μια σημαντική αντιστάθμιση μεταξύ του ρυθμού παραγωγής και του αριθμού των προσβάσιμων κάδων συχνοτήτων.

Σε αυτή την εργασία, δείχνουμε ότι αυτοί οι περιορισμοί μπορούν να ξεπεραστούν χρησιμοποιώντας την ευελιξία του χειρισμού του φωτός σε μια νανο-φωτονική πλατφόρμα και την πυκνή οπτική ολοκλήρωση που είναι δυνατή στη φωτονική του πυριτίου. Η προσέγγισή μας βασίζεται στην κατασκευή της επιθυμητής κατάστασης με άμεσο, στο τσιπ έλεγχο της παρεμβολής των πλατών διφωτονίων που παράγονται σε πολλαπλούς συντονιστές δακτυλίου που αντλούνται με συνοχή. Οι καταστάσεις μπορούν έτσι να κατασκευαστούν «κομμάτι-κομμάτι» με προγραμματιζόμενο τρόπο, επιλέγοντας τη σχετική φάση κάθε πηγής. Επιπλέον, δεδομένου ότι η απόσταση του κάδου συχνοτήτων δεν σχετίζεται πλέον με την ακτίνα του δακτυλίου, μπορεί κανείς να εργαστεί με αντηχεία πολύ υψηλής λεπτότητας, φτάνοντας τους ρυθμούς παραγωγής megahertz. Αυτές οι δύο ανακαλύψεις, δηλαδή οι υψηλοί ρυθμοί εκπομπής σε συνδυασμό με τις υψηλές τιμές του ελεύθερου φασματικού εύρους, μαζί με τον έλεγχο κατάστασης εξόδου με χρήση στοιχείων στο τσιπ, είναι δυνατές μόνο με χρήση πολλαπλών δακτυλίων: δεν θα ήταν εφικτές εάν οι κάδοι συχνοτήτων κωδικοποιήθηκαν στο αζιμουθιακό τρόποι λειτουργίας ενός μόνο αντηχείου.

Δείχνουμε ότι με την ίδια συσκευή, μπορεί κανείς να δημιουργήσει όλες τις υπερθέσεις του $| 00 ⟩$ $| 11 ⟩$ καταστάσεις ή, σε άλλη διαμόρφωση με διαφορετικό διάκενο συχνοτήτων, όλες οι υπερθέσεις του $| 01 ⟩$ $| 10 ⟩$ πολιτείες. Χρειάζεται μόνο να κινηθεί ο μετατροπέας φάσης στο τσιπ και να ρυθμιστεί κατάλληλα η διαμόρφωση της αντλίας. Αυτό σημαίνει ότι και οι τέσσερις πλήρως διαχωρίσιμες καταστάσεις της υπολογιστικής βάσης και οι τέσσερις μέγιστα μπερδεμένες καταστάσεις Bell ( $| Φ^{\pm} ⟩ = (| 00 ⟩ \pm | 11 ⟩) / \sqrt{2}$ $| Ψ^{\pm} ⟩ = (| 01 ⟩ \pm | 10 ⟩) / \sqrt{2}$ ) είναι προσβάσιμα. Ο υψηλός ρυθμός παραγωγής μας επιτρέπει να πραγματοποιούμε κβαντική τομογραφία κατάστασης όλων αυτών των καταστάσεων, φτάνοντας την πιστότητα έως και 97.5% με καθαρότητες κοντά στο 100%.

Αποτελέσματα

Χαρακτηρισμός συσκευής και αρχή λειτουργίας

Η συσκευή αναπαρίσταται σχηματικά στο Σχ. 1ένα. Η δομή λειτουργεί με την εκμετάλλευση του θεμελιώδους εγκάρσιου ηλεκτρικού τρόπου (TE) ενός κυματοδηγού πυριτίου, με 600 × 220 nm² διατομή, θαμμένη σε πυρίτιο. Δύο συντονιστές δακτυλίου πυριτίου (Δακτύλιος Α και Δακτύλιος Β) σε διαμόρφωση all-pass λειτουργούν ως πηγές ζευγών φωτονίων. Οι ακτίνες τους είναι περίπου 30 μm για να εξασφαλίσουν υψηλούς ρυθμούς παραγωγής και δεν είναι ανάλογες έτσι ώστε οι δύο ελεύθερες φασματικές περιοχές να είναι διαφορετικές: FSR_A = 377.2 GHz και FSR_B = 373.4 GHz, αντίστοιχα. Οι δύο δακτύλιοι συνδέονται κρίσιμα με έναν κυματοδηγό διαύλου και οι γραμμές συντονισμού τους μπορούν να συντονιστούν ανεξάρτητα χρησιμοποιώντας θερμαντήρες αντίστασης. Η συσκευή περιέχει επίσης ένα συντονιζόμενο συμβολόμετρο Mach-Zehnder (MZI), του οποίου οι έξοδοι συνδέονται με την είσοδο δύο ρυθμιζόμενων φίλτρων πρόσθετης πτώσης που επιτρέπουν σε κάποιον να ελέγχει την ένταση του πεδίου και τη σχετική φάση με την οποία αντλούνται ο δακτύλιος Α και ο δακτύλιος Β στο αυθόρμητο πείραμα ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων¹⁶.

εικόνα 1 — **Εικ. 1: Διάταξη συσκευής και φάσματα μετάδοσης.**

Οι μετρήσεις γραμμικής μετάδοσης μέσω του κυματοδηγού διαύλου φαίνονται στο Σχ. 1β–ζ. Στην πρώτη διαμόρφωση (Εικ. 1b–d), το οποίο αργότερα θα αναφερθούμε ως «Φ», δύο συντονισμοί του δακτυλίου Α και του δακτυλίου Β ευθυγραμμίζονται φασματικά για να χρησιμοποιηθούν αργότερα για άντληση, επομένως μόνο μία βύθιση μετάδοσης παρατηρείται στα 194 THz (1545 nm) στο Σχήμα. . 1ντο. Δεδομένου ότι ο δακτύλιος Α και ο δακτύλιος Β έχουν διαφορετικές ελεύθερες φασματικές περιοχές, οι άλλοι συντονισμοί δεν είναι ευθυγραμμισμένοι και παρατηρούμε διπλές βυθίσεις, με απόσταση Δ(m) = ∣m∣(FSR_A − FSR_B), με m είναι η αζιμουθιακή σειρά σχετικά με τον συντονισμό της αντλίας. Στο Σχ. 1b και d, σχεδιάζουμε τη διπλή βύθιση μετάδοσης που αντιστοιχεί m = − 5 και m = +5, που ονομάζονται "idler" και "signal", αντίστοιχα. Τόσο για τη ζώνη σήματος όσο και για τη ζώνη αδράνειας, οι συντονισμοί του δακτυλίου Α και του δακτυλίου Β διαχωρίζονται με Δ = 19 GHz. Αργότερα, οι δύο συχνότητες θα χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση των δύο καταστάσεων των qubit, με ζεύγη σήματος και αδρανούς συχνοτήτων που αντιπροσωπεύουν τα δύο qubits. Για το λόγο αυτό, στο Σχ. 1β και δ, ονομάζουμε ${| 0 ⟩}_{s, i}$ οι δύο κάδοι συχνοτήτων πιο κοντά στην αντλία και ${| 1 ⟩}_{s, i}$ οι δύο κάδοι πιο μακριά από την αντλία, σύμφωνα με προηγούμενες εργασίες για την εμπλοκή του κάδου συχνότητας⁶. Η συσκευή μας μπορεί επίσης να λειτουργήσει σε διαφορετική διαμόρφωση, την οποία θα αναφέρουμε ως "Ψ". Εδώ ο δακτύλιος Α και ο δακτύλιος Β συντονίζονται θερμικά έτσι ώστε οι συντονισμοί να αντιστοιχούν στις καταστάσεις ${| 0 ⟩}_{i}$ ${| 1 ⟩}_{s}$ ανήκουν στον Δακτύλιο Β και σε αυτά που αντιστοιχούν ${| 0 ⟩}_{s}$ ${| 1 ⟩}_{i}$ ανήκουν στον Δακτύλιο Α (βλ. Εικ. 1π.χ). Όπως φαίνεται από όλα τα πάνελ στο Σχ. 1b–g, οι συντονισμοί των δύο δακτυλίων παραγωγής έχουν παράγοντες ποιότητας Q ≈ 150 (Πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο Γ ≈ 000 GHz), που εγγυώνται καλά διαχωρισμένους κάδους συχνοτήτων και υψηλούς ρυθμούς παραγωγής.

Η βασική αρχή λειτουργίας της συσκευής είναι η εξής: (i) Ο δακτύλιος Α και ο δακτύλιος Β ρυθμίζονται στη σωστή διαμόρφωση (π.χ. Φ) ελέγχοντας τους θερμικούς δέκτες. (ii) Η ισχύς της αντλίας κατανέμεται συνεκτικά μεταξύ των δύο δακτυλίων με την απαιτούμενη σχετική φάση και πλάτος ρυθμισμένα είτε μέσω του MZI είτε απευθείας μέσω του κυματοδηγού διαύλου. (iii) Τα ζεύγη φωτονίων συλλέγονται στον κυματοδηγό διαύλου, με την επιθυμητή κατάσταση να προκύπτει από μια συνεκτική υπέρθεση των καταστάσεων δύο φωτονίων που θα δημιουργηθούν από κάθε δακτύλιο ξεχωριστά.

Αυθόρμητη ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων

Η απόδοση παραγωγής φωτονίων μέσω της αυθόρμητης ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων (SFWM) εκτιμήθηκε για τους δύο δακτυλίους ρυθμίζοντας τη συσκευή στη διαμόρφωση Ψ, η οποία είναι βολική για την άντληση κάθε δακτυλίου ξεχωριστά μέσω του κυματοδηγού διαύλου. Οι δύο συντονιστές αντλήθηκαν με ένα εξωτερικό συντονίσιμο λέιζερ και η έξοδος του τσιπ διαχωρίστηκε στις ζώνες σήματος (194.7–197.2 THz), αντλίας (192.2–194.7 THz) και αδρανούς (189.7–192.2 THz) χρησιμοποιώντας χονδροειδή τηλεπικοινωνιακή πολυπλέκτης διαίρεσης μήκους κύματος (βλ. Συμπληρωματικό Σχ. 1). Το παραγόμενο σήμα και τα αδρανή φωτόνια στη συνέχεια φιλτράρθηκαν στενής ζώνης χρησιμοποιώντας ρυθμιζόμενες σχάρες ινών Bragg με ζώνη διακοπής 8 GHz και δρομολογήθηκαν σε ένα ζεύγος υπεραγώγιμων ανιχνευτών ενός φωτονίου. Οι συνολικές απώλειες εισαγωγής από τον κυματοδηγό διαύλου προς τους ανιχνευτές είναι 6 και 7 dB για κανάλια σήματος και αδρανούς, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα του πειράματος συνοψίζονται στο Σχ. 2. Οι δύο δακτύλιοι παρουσιάζουν παρόμοια απόδοση παραγωγής $η = R / P_{w g}^{2}$ , με η_A = 57.6 ± 2.1 Hz/μW² για το δαχτυλίδι Α και η_B = 62.4 ± 1.7 Hz/μW² για το δαχτυλίδι Β¹⁵. Ο ρυθμός δημιουργίας εσωτερικού ζεύγους R μπορεί να υπερβεί τα 2 MHz και για τους δύο συντονιστές δακτυλίου (Εικ. 2ένα). Υψηλός λόγος σύμπτωσης προς τυχαίο (CAR) άνω του 10² λήφθηκε για οποιαδήποτε τιμή της ισχύος εισόδου, απαραίτητη προϋπόθεση για τη διασφάλιση υψηλής καθαρότητας της παραγόμενης κατάστασης (Εικ. 2α).

εικόνα 2 — **Εικ. 2: Αυθόρμητη ανάμειξη τεσσάρων κυμάτων.**

Περνάμε τώρα στις φασματικές ιδιότητες των δημιουργούμενων ζευγών φωτονίων και στην επίδειξη της εμπλοκής. Ρυθμίζουμε τη συσκευή μας να λειτουργεί στη διαμόρφωση Φ, η οποία αργότερα θα χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία της κατάστασης μέγιστου εμπλοκής

| Φ (θ) ⟩ = | 00 ⟩ + e i θ | 11 ⟩ 2 -\sqrt,

(1)

όπου $| 00 ⟩ = {| 0 ⟩}_{s} {| 0 ⟩}_{i}$ , $| 11 ⟩ = {| 1 ⟩}_{s} {| 1 ⟩}_{i}$ , και η φάση θ μπορεί να ρυθμιστεί ενεργώντας στον θερμοηλεκτρικό μετατροπέα φάσης μετά το συμβολόμετρο (βλ. Συμπληρωματική σημείωση 1); θ = 0 και θ = π αντιστοιχούν στις γνωστές πολιτείες Bell $| Φ^{+} ⟩$ $| Φ^{-} ⟩$ , αντίστοιχα. Το αντίστοιχο φάσμα SFWM των ζωνών σήματος και αδράνειας φαίνεται στο Σχ. 3α και β (πάνω πάνελ). η συσκευή ήταν ηλεκτρικά συντονισμένη για να ρυθμιστεί θ = 0, με την ισχύ της αντλίας, χωρίζεται εξίσου μεταξύ των Δακτυλίων Α και Β χρησιμοποιώντας το MZI. Εδώ εστιάζουμε στην αζιμουθιακή σειρά m = ±5, με τα δημιουργούμενα δοχεία συχνότητας να διακρίνονται στο οριακό σήμα και στο αδρανές φάσμα.

εικόνα 3 — **Εικ. 3: Επίδραση της διαμόρφωσης σε αυθόρμητα φάσματα ανάμειξης τεσσάρων κυμάτων.**

Παρεμβολή δύο φωτονίων

Για να αποδειχθεί η εμπλοκή, δρομολογήθηκαν το αποπολυπλεγμένο σήμα και τα αδρανή φωτόνια (βλ. Συμπληρωματικό Σχήμα. 1) σε δύο ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές έντασης (EOM), με συνοχή FM = 9.5 GHz, που αντιστοιχεί στο ήμισυ του διαχωρισμού του κάδου συχνοτήτων της επιλεγμένης αζιμουθιακής σειράς m = ±5. Οι διαμορφωτές λειτουργούν στο ελάχιστο σημείο μετάδοσης (δηλαδή σε τάση πόλωσης V_π) για να επιτευχθεί διαμόρφωση πλάτους διπλής πλευρικής ζώνης κατασταλμένου φέροντος. Το πλάτος του διαμορφωτικού σήματος RF επιλέχθηκε για να μεγιστοποιήσει τη μεταφερόμενη ισχύ από τον φορέα στις πλευρικές ζώνες πρώτης τάξης, με απόδοση διαμόρφωσης περίπου -4.8 dB, που αντιστοιχεί σε δείκτη διαμόρφωσης β ≈ 1.7. Αυτές οι απώλειες μπορούν να μειωθούν με την ενσωμάτωση των διαμορφωτών στο τσιπ. Επιπλέον, η προσέγγισή μας επιτρέπει τη χρήση αποστάσεων συχνοτήτων δυνητικά πολύ χαμηλότερων από την αποκοπή συχνότητας των διαμορφωτών. Αυτό θα επιτρέψει τη χρήση σύνθετων τεχνικών διαμόρφωσης μετατόπισης μήκους κύματος^17,18 για να αποφευχθεί η δημιουργία διπλών πλευρικών ζωνών και τα επακόλουθα 3 dB σε πρόσθετες απώλειες.

Το φάσμα που προκύπτει φαίνεται στα κάτω πλαίσια του Σχ. 3α και β, στα οποία μπορεί κανείς να αναγνωρίσει τρεις κορυφές. Πράγματι, δεδομένης της επιλεγμένης διαμορφωμένης συχνότητας, η κεντρική προκύπτει από την επικάλυψη των αρχικών δοχείων που έχουν μετατραπεί προς τα κάτω και στο επάνω μέρος. Από την άποψη της κβαντικής οπτικής, αυτή η λειτουργία επιτυγχάνει κβαντική παρεμβολή των αρχικών δοχείων συχνότητας¹² με παρόμοιο τρόπο με αυτό που μπορεί να γίνει με τους κάδους χρόνου σε ένα συμβολόμετρο Franson^19,20. Εδώ η επιτεύξιμη ορατότητα της κβαντικής παρεμβολής εξαρτάται από τη σωστή υπέρθεση των φασμάτων των τρόπων που κωδικοποιούν τα δύο δοχεία συχνότητας για τα φωτόνια σήματος και αδρανείς, αντίστοιχα, όπως περιγράφεται στο Σχ. 4a.

εικόνα 4 — **Εικ. 4: Ανάμειξη συχνότητας και παρεμβολή δύο φωτονίων.**

Για μέτρηση συμπτώσεων, το διαμορφωμένο σήμα και τα αδρανή φωτόνια φιλτράρθηκαν χρησιμοποιώντας πλέγματα ινών Bragg στενής ζώνης για να επιλέξουν μόνο την κεντρική γραμμή στην έξοδο του αντίστοιχου διαμορφωτή και δρομολογήθηκαν στους ανιχνευτές ενός φωτονίου. Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος φαίνονται στο Σχ. 4b και c ως συνάρτηση της συχνότητας διαμόρφωσης. Η ταχεία ταλάντωση της συσχέτισης οφείλεται στις διαφορετικές φάσεις που αποκτούν τα φωτόνια κατά τη διάδοσή τους από τη συσκευή στους EOM. Αν οι συντονισμοί μοιράζονται το ίδιο Q συντελεστής και απόδοσης σύζευξης, ο ρυθμός σύμπτωσης είναι ανάλογος με τη συνάρτηση διασταυρούμενης συσχέτισης (βλ. συμπληρωματική σημείωση 3):

G (2) s, i (f m) = 1 + Γ 2 ( f m - Δ / 2 ) 2 + Γ 2 καλάθι (4 π (f m - Δ / 2) δ T + 2 φ s - 2 φ i - θ),

(2)

όπου δT = t_i - t_s είναι η διαφορά μεταξύ των χρόνων άφιξης αδράνειας και σήματος στους EOM, και φ_σι) είναι η φάση οδήγησης του διαμορφωτή σήματος (αδρανής). Φιγούρα 4Το b δείχνει καλή συμφωνία μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και της καμπύλης που περιγράφεται από την Εξ. (2) Για φ_s - φ_i = θ/ 2 και δT = 8.5 ns, που αντιστοιχεί στη διαφορά διαδρομής ~2 m μεταξύ του αδρανούς και του EOM σήματος στην εγκατάσταση μας. Η ορατότητα της καμπύλης που προκύπτει από μια προσαρμογή ελάχιστου τετραγώνου του μοντέλου είναι V = 98.7 ± 1.2%. Η συσχέτιση των δύο φωτονίων φτάνει στη μέγιστη τιμή της $G_{s, i}^{(2)} (f_{m}) \approx 2$ πότε FM = Δ/2, όπως φαίνεται σε άλλες εργασίες σχετικά με την εμπλοκή του κάδου συχνοτήτων¹². Χάρη στην υψηλή φωτεινότητα της πηγής, οι μετρήσεις συμπτώσεων στους ανιχνευτές παραμένουν πολύ πάνω από το επίπεδο θορύβου ακόμη και με τις πρόσθετες απώλειες από τους διαμορφωτές, με επίπεδο CAR > 50 και ανιχνευμένο ρυθμό σύμπτωσης > 2 kHz, υποδηλώνοντας έτσι ένα μοτίβο παρεμβολής με υψηλή ορατότητα.

Με αυτά τα αποτελέσματα στο χέρι, θέσαμε FM = Δ/2 και μεταβλητή φ_s για να εκτελέσετε ένα πείραμα τύπου Bell. Οι αντίστοιχες κβαντικές καμπύλες παρεμβολής αναφέρονται στη Συμπληρωματική Σημείωση 2.

Κβαντική τομογραφία κατάστασης

Τέλος, δείχνουμε ότι η συσκευή μας μπορεί να λειτουργήσει για να δημιουργήσει, απευθείας στο τσιπ, ζεύγη φωτονίων του κάδου συχνότητας με ελεγχόμενη κατάσταση εξόδου. Για κάθε μια από τις εξερευνημένες διαμορφώσεις, πραγματοποιήσαμε τομογραφία κβαντικής κατάστασης²¹. Αρχικά, διατηρήσαμε τη συσκευή στη διαμόρφωση Φ, στην οποία ο δακτύλιος Α και ο δακτύλιος Β δημιουργούν ζεύγη φωτονίων στην κατάσταση ${| 0 ⟩}_{s, i}$ ${| 1 ⟩}_{s, i}$ , αντίστοιχα. Έτσι, οι δύο καταστάσεις της υπολογιστικής βάσης $| 00 ⟩ = {| 0 ⟩}_{s} {| 0 ⟩}_{i}$ $| 11 ⟩ = {| 1 ⟩}_{s} {| 1 ⟩}_{i}$ μπορεί να δημιουργηθεί με επιλεκτική άντληση μόνο του κατάλληλου συντονιστή, όπως φαίνεται στο Σχ. 5α και β. Οι καταστάσεις χαρακτηρίστηκαν με κβαντική τομογραφία κατάστασης^12,21,22, όπως περιγράφεται στην ενότητα Μέθοδοι. Και στις δύο περιπτώσεις, οι καταστάσεις αναπαράγονται με ακρίβεια, με πιστότητα και καθαρότητα που ξεπερνά το 90%.

εικόνα 5 — **Εικ. 5: Κβαντική τομογραφία κατάστασης στο ${| 00 ⟩, | 11 ⟩}$ βάση (διαμόρφωση Φ).**

Σε ένα δεύτερο πείραμα, το MZI λειτούργησε για να χωρίσει την ισχύ της αντλίας έτσι ώστε οι πιθανότητες δημιουργίας ενός ζεύγους φωτονίων στον δακτύλιο Α και στον δακτύλιο Β να είναι ίσες. Εάν η ισχύς της αντλίας είναι αρκετά χαμηλή ώστε η πιθανότητα εκπομπής ζευγών δύο φωτονίων είναι αμελητέα, τότε οι παραγόμενοι κάδοι συχνοτήτων βρίσκονται στην κατάσταση $| Φ (θ) ⟩$ περιγράφεται από την Εξ. (1), όπου ο συντελεστής φάσης θ ελέγχεται από τον μετατοπιστή φάσης μετά το MZI. Με ρύθμιση θ = 0 ή π, μπορέσαμε να δημιουργήσουμε τις δύο καταστάσεις Bell $| Φ^{+} ⟩$ $| Φ^{-} ⟩$ , αντίστοιχα (βλ. Εικ. 5γ και δ). Τα πραγματικά και τα φανταστικά μέρη του πίνακα πυκνότητας φαίνονται στο Σχ. 5g, h, k και l. Όπως ήταν αναμενόμενο, βρήκαμε μη μηδενικούς εκτός διαγώνιους όρους στο πραγματικό τμήμα του πίνακα πυκνότητας, οι οποίοι υποδηλώνουν εμπλοκή. Και σε αυτές τις περιπτώσεις η συσκευή μπορεί να δώσει την επιθυμητή κατάσταση με καθαρότητα και πιστότητα που ξεπερνά το 90%. Η εμπλοκή του σχηματισμού, μια αξία για να ποσοτικοποιηθεί η εμπλοκή των δημιουργούμενων ζευγών²³, εξήχθη από τους πίνακες μετρημένης πυκνότητας, δίνοντας τιμές > 80% για τις δύο καταστάσεις Bell, σε αντίθεση με τις τιμές < 20% για τις δύο διαχωρίσιμες καταστάσεις $| 00 ⟩$ $| 11 ⟩$ .

Η συσκευή μας μπορεί επίσης να λειτουργήσει στη διαμόρφωση Ψ, με τους συντονισμούς δακτυλίου διατεταγμένους όπως φαίνεται στο Σχ. 1π.χ. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί κανείς να δημιουργήσει επίσης τις δύο υπόλοιπες καταστάσεις βάσης υπολογισμού $| 01 ⟩$ , $| 10 ⟩$ και οι δύο υπόλοιπες πολιτείες Μπελ $| Ψ^{+} ⟩$ $| Ψ^{-} ⟩$ . Σημειώστε ότι σε αυτήν τη διαμόρφωση, οι συντονισμοί της αντλίας για τους δύο συντονιστές δακτυλίου δεν είναι ευθυγραμμισμένοι (Εικ. 1φά).

Κατά τη δημιουργία των δύο χωριστών καταστάσεων, δακτύλιος A (για δημιουργία $| 01 ⟩$ ) ή Ring B (για δημιουργία $| 10 ⟩$ ) αντλήθηκε μέσω του κυματοδηγού διαύλου απλά ρυθμίζοντας την αντλία στον αντίστοιχο συντονισμό (βλ. Εικ. 6α και β). Για τη δημιουργία των δύο καταστάσεων Bell, το φάσμα παλμών της αντλίας (το οποίο είναι ρυθμισμένο ώστε να βρίσκεται στη μέση των δύο συντονισμών) διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας έναν εξωτερικό EOM που λειτουργεί στη συχνότητα που αντιστοιχεί στο μισό της διαφοράς μεταξύ των δύο συντονισμών αντλίας (FM_,p = Δ_p/2 = 19 GHz) (βλ. Εικ. 6γ και δ και την ενότητα Μέθοδοι). Η αναλογία άντλησης και η φάση μεταξύ των δύο δακτυλίων προσαρμόστηκαν προσαρμόζοντας τη διαμόρφωση για να ληφθεί ένα ίσο εύρος πιθανότητας δημιουργίας ενός ζεύγους μονοφωτονίων για τις καταστάσεις $| 01 ⟩$ $| 10 ⟩$ αντίστοιχα, ενώ εξακολουθεί να διατηρείται αμελητέα η πιθανότητα δημιουργίας διπλού ζεύγους. Η σχετική φάση της υπέρθεσης μπορεί να ελεγχθεί προσαρμόζοντας τη φάση οδήγησης EOM για να επιλέξετε ένα από τα δύο $| Ψ^{+} ⟩$ or $| Ψ^{-} ⟩$ .

εικόνα 6 — **Εικ. 6: Κβαντική τομογραφία κατάστασης στο ${| 01 ⟩, | 10 ⟩}$ βάση (διάταξη Ψ).**

Οι τέσσερις παραγόμενες καταστάσεις χαρακτηρίστηκαν μέσω κβαντικής τομογραφίας κατάστασης όπως και στην προηγούμενη περίπτωση. Ωστόσο, τονίζουμε ότι εδώ δύο διαφορετικές τιμές απόστασης bin για το σήμα (Δ_s = 19 GHz) και αδρανές (Δ_i = 3Δ_s = 57 GHz) χρησιμοποιήθηκαν qubits. Αν και αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα για τη δημιουργία εμπλοκής, καθώς ο χώρος Hilbert των δύο qubit είναι κατασκευασμένος από το γινόμενο τανυστή των χώρων Hilbert των δύο qubits με διαφορετικές τιμές για το Δ_s και Δ_i, μας πρόσφερε την ευκαιρία να επιδείξουμε, για πρώτη φορά, τομογραφία συχνοτήτων για ανομοιόμορφη απόσταση. Αυτό γίνεται με τη λειτουργία του σήματος και των αδρανών EOM (βλ. Συμπληρωματικό Σχ. 1) σε διαφορετικές συχνότητες ίσες με το ήμισυ της απόστασης συχνοτήτων των αντίστοιχων συντονισμών.

Τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στο Σχ. 6e–l. Και οι τέσσερις καταστάσεις παρασκευάστηκαν με πιστότητα κοντά ή πάνω από 90%, και καθαρότητα μεταξύ 85 και 100%. Η εμπλοκή του σχηματισμού είναι κάτω από 5% για τις διαχωρίσιμες καταστάσεις $| 01 ⟩$ $| 10 ⟩$ , ενώ πάνω από το 80% για τις πολιτείες Bell $| Ψ^{+} ⟩$ $| Ψ^{-} ⟩$ , όπως αναμενόταν. Οι ανακατασκευασμένοι πίνακες πυκνότητας δείχνουν αυξημένο θόρυβο σε σχέση με αυτούς που αναφέρονται στο Σχ. 5 επειδή η απόδοση διαμόρφωσης του αδρανούς διαμορφωτή μας μειώθηκε σημαντικά σε τόσο υψηλή συχνότητα, με αποτέλεσμα πρόσθετες απώλειες και μείωση του ρυθμού καταμέτρησης στους ανιχνευτές (δείτε την ενότητα Μέθοδοι).

Επεκτασιμότητα σε καταστάσεις υψηλότερων διαστάσεων

Η προσέγγισή μας μπορεί να γενικευθεί σε qudits με συχνότητα, κλιμακώνοντας τον αριθμό των συνεκτικά διεγερμένων δακτυλίων. Δίνουμε μια απόδειξη αρχής αυτής της ικανότητας χρησιμοποιώντας διαφορετική φιλοξενία συσκευής d = 4 δαχτυλίδια και φίλτρα προσθήκης-απόθεσης. Οι τέσσερις πηγές, με την ένδειξη A, B, C και D, έχουν ακτίνες R_j = R₀ + jδR (με j = 0,…, d − 1), όπου R₀ = 30 μm και δR = 0.1 μm, που οδηγεί σε απόσταση ~9 GHz στα 7 FSR από την αντλία. Η φασματική απόκριση της συσκευής στην έξοδο του κυματοδηγού διαύλου, που φαίνεται στο Σχ. 7a, δείχνει τους τέσσερις ισαπέχοντες κάδους (με την ένδειξη 0, 1, 2, 3) που σχετίζονται με το σήμα και τα αδρανείς φωτόνια, και τους επικαλυπτόμενους συντονισμούς των δακτυλίων στη συχνότητα της αντλίας. Όπως και στην περίπτωση των qubits, χρησιμοποιήσαμε ένα δέντρο MZI για να χωρίσουμε την αντλία σε τέσσερις διαδρομές, καθεμία από τις οποίες τροφοδοτεί ένα διαφορετικό φίλτρο δακτυλίου προσθήκης πτώσης που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της έντασης του πεδίου στις πηγές του ζεύγους φωτονίων. Εστιάσαμε στην ικανότητα δημιουργίας των τεσσάρων υπολογιστικών καταστάσεων βάσης και των δισδιάστατων καταστάσεων Bell που σχηματίζονται από γειτονικά ζεύγη δοχείων συχνοτήτων. Πρώτον, τα φίλτρα πρόσθετης πτώσης συντονίζονται σε συντονισμό ένα κάθε φορά. Αυτό επιλέγει την κατάσταση βάσης υπολογισμού που δημιουργείται. Χαρακτηρίσαμε αυτές τις καταστάσεις εκτελώντας α Z-βασική μέτρηση συσχέτισης, δηλαδή με προβολή του σήματος και του αδρανούς φωτονίου στο Z-βάση ${{| l ⟩}_{s} {| m ⟩}_{i}}, l (m) = 0, 1, 2, 3$ , για τη μέτρηση της ομοιομορφίας και της αλληλεπίδρασης μεταξύ των τεσσάρων δοχείων συχνότητας. Από τους πίνακες συσχέτισης, που φαίνονται στο Σχ. 7b–e, ήταν δυνατό να μετρηθεί η αναλογία των μετρήσεων των συμπτώσεων όλοι στη βάση συσχέτισης συχνότητας ${| l ⟩}_{s} {| l ⟩}_{i}$ σε αυτό στη μη συσχετισμένη βάση ∑_{l≠αποκλειστικά}, και είναι περίπου δύο τάξεις μεγέθους. Θα μπορούσαμε να αντισταθμίσουμε το ελαφρώς διαφορετικό πλάτος των διαφορετικών καταστάσεων βάσης ενεργώντας στο δέντρο MZI στην είσοδο. Δεύτερον, τα φίλτρα προσθήκης πτώσης που σχετίζονται με τα γειτονικά ζεύγη κάδου συχνοτήτων 0–1, 1–2 και 2–3 συντονίζονται σε συντονισμό ένα κάθε φορά, δημιουργώντας έτσι τις καταστάσεις Bell ${| Φ^{+} ⟩}_{0, 1}$ , ${| Φ^{+} ⟩}_{1, 2}$ ${| Φ^{+} ⟩}_{2, 3}$ , να εισαι ${| Φ^{+} ⟩}_{l, m} = (| l l ⟩ + | m m ⟩) / \sqrt{2}$ . Η ορατότητα της κβαντικής παρεμβολής αξιολογείται με ανάμειξη των αντίστοιχων δοχείων συχνότητας με τον ηλεκτροοπτικό διαμορφωτή. Σε αντίθεση με το πείραμα qubit, εδώ επιλέγουμε μια συχνότητα διαμόρφωσης που ταιριάζει με τον φασματικό διαχωρισμό μεταξύ των bins. Χρησιμοποιήσαμε διαμορφωτές φάσης που διαμορφώθηκαν για να δημιουργούν πλευρικές ζώνες πρώτης τάξης πλάτους ίσου με αυτό της ζώνης βάσης και καταγράψαμε τις συμπτώσεις στους κάδους σήματος/αδράνειας 0, 1, 2 και 3. Οι καμπύλες Bell που προέκυψαν, φαίνονται στο Σχήμα. 7στ, έχουν ορατότητες V_0,1 = 0.831 (5), V_1,2 = 0.884(6) και V_2,3 = 0.81(1), υποδεικνύοντας την παρουσία εμπλοκής μεταξύ των ζευγών απορριμμάτων σε όλες τις περιπτώσεις. Αξίζει να σημειωθεί ότι, όπως και στη δισδιάστατη περίπτωση, η σχετική φάση μεταξύ των τριών καμπυλών Bell στο Σχ. 7Το f θα μπορούσε να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας μετατοπιστές φάσης στο τσιπ για να πραγματοποιηθούν οι μέγιστα μπερδεμένες καταστάσεις Bell υψηλών διαστάσεων.

εικόνα 7 — **Εικ. 7: Καταστάσεις υψηλότερων διαστάσεων (*qudits*).**

Ερωτήσεις - Συζήτηση

Δείξαμε ότι μια πλούσια ποικιλία από διαχωρίσιμες και μέγιστα μπερδεμένες καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένης οποιασδήποτε γραμμικής υπέρθεσης ${| 00 ⟩, | 11 ⟩}$ or ${| 01 ⟩, | 10 ⟩}$ , μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση κωδικοποίησης του κάδου συχνότητας σε μία μόνο προγραμματιζόμενη νανο-φωτονική συσκευή, κατασκευασμένη με υπάρχουσες φωτονικές τεχνολογίες πυριτίου συμβατές με εκδόσεις πλακιδίων πολλαπλών έργων. Αυτό εγγυάται ότι αυτές οι συσκευές μπορούν να είναι διαθέσιμες για ευρεία χρήση σε εφαρμογές, που κυμαίνονται από την κβαντική επικοινωνία έως τον κβαντικό υπολογισμό.

Η προσέγγισή μας αποτελεί ένα καινοτόμο παράδειγμα για την ενσωμάτωση συσκευών με κάδο συχνοτήτων που υπερβαίνει κατά πολύ τη σμίκρυνση των στρατηγικών μαζικής παραγωγής. Πράγματι, σε αντίθεση με προηγούμενες υλοποιήσεις, οι καταστάσεις δημιουργούνται όλες μέσα στη συσκευή, χωρίς να βασίζονται σε χειρισμό εκτός τσιπ μιας μόνο αρχικής κατάστασης. Η δυνατότητα ελέγχου της παραγόμενης κατάστασης αποδείχθηκε ότι είναι εύκολα προσβάσιμη στο τσιπ, μέσω ηλεκτρικού ελέγχου θερμο-οπτικών ενεργοποιητών σε μια διαμόρφωση (Φ) και προσαρμόζοντας τις φασματικές ιδιότητες της αντλίας σε μια άλλη (Ψ). Σε μια μελλοντική έκδοση της συσκευής, η χρήση περισσότερων από δύο δακτυλίων για τον ορισμό της κατάστασης θα επιτρέψει στις δύο διαμορφώσεις να έχουν την ίδια απόσταση συχνότητας για τα qubits. Ως αποτέλεσμα, η συσκευή θα είναι σε θέση να παράγει και τις τέσσερις καταστάσεις Bell με τα ίδια φυσικά χαρακτηριστικά, όπως αποδείχθηκε πρόσφατα χρησιμοποιώντας έναν εξωτερικό περιοδικά πολωμένο κρύσταλλο νιοβικού λιθίου²⁴; Θα χρησιμοποιηθεί επίσης για να εξερευνήσετε περισσότερο τον χώρο Hilbert των δύο qubits.

Δεδομένου ότι στην προσέγγισή μας, η απόσταση του κάδου συχνοτήτων περιορίζεται μόνο από το εύρος γραμμής του συντονιστή, οι απαιτήσεις για τους ηλεκτροοπτικούς διαμορφωτές είναι πολύ χαλαρές σε σχέση με προηγούμενες υλοποιήσεις. Πράγματι, όπως αποδεικνύεται σε αυτήν την εργασία, ο διαχωρισμός του κάδου συχνότητας είναι συμβατός με υπάρχοντες διαμορφωτές ενσωματωμένους σε πυρίτιο²⁵. Έτσι, μπορεί κανείς να προβλέψει μια μελλοντική εξέλιξη της συσκευής μας που θα περιλαμβάνει διαμορφωτές ενσωματωμένους στο chip. Αυτό θα αυξήσει περαιτέρω την καταλληλότητά του για πρακτικές εφαρμογές, όπως η διανομή κβαντικών κλειδιών και οι κβαντικές επικοινωνίες γενικά. Επιπλέον, η δυνατότητα ανεξάρτητης επιλογής της απόστασης bin Δ και για τα δύο qubits, όπως φαίνεται στο Σχ. 1b–g, επιδεικνύει πρόσθετη ευελιξία στην επιλογή της βάσης για την κωδικοποίηση του bin συχνοτήτων που μπορεί να αξιοποιηθεί για τη μηχανική της πηγής.

Η προσέγγιση που παρουσιάζεται εδώ είναι επεκτάσιμη, γιατί μπορεί κανείς να σχεδιάσει και να εφαρμόσει συσκευές με περισσότερους από δύο δακτυλίους παραγωγής, εκμεταλλευόμενος την ενσωμάτωση πυκνής πυριτίου, ανοίγοντας τη δυνατότητα χρήσης qudits συχνότητας αντί για απλά qubits. Όπως αποδεικνύεται σε πολλές θεωρητικές προτάσεις, μια τέτοια ικανότητα θα είναι ζωτικής σημασίας για πολλαπλές εφαρμογές σε αλγόριθμους κβαντικής επικοινωνίας, ανίχνευσης και υπολογισμού²⁶. Επιπλέον, η προσέγγισή μας θα μπορούσε να επεκταθεί για να επωφεληθεί από την πρόσφατη πρόοδο στη μετατροπή όλων των οπτικών συχνοτήτων^27,28 να επεκτείνει το εύρος ζώνης χειραγώγησης των κάδων συχνοτήτων, επιτρέποντας έτσι σε κάποιον να αυξήσει τη διάσταση του προσβάσιμου χώρου Hilbert σε τεράστιο βαθμό.

Τέλος, η προσέγγισή μας μάς επέτρεψε να ξεπεράσουμε την αντιστάθμιση μεταξύ της απόστασης των δοχείων συχνοτήτων και του ρυθμού παραγωγής που χαρακτήριζε την προηγούμενη εργασία. Αυτό συνέβαλε καθοριστικά στην επίτευξη μιας συνολικής αξιολόγησης των ιδιοτήτων των παραγόμενων καταστάσεων, η οποία θα μπορούσε να εκτελεστεί χρησιμοποιώντας μόνο εξαρτήματα οπτικών ινών τηλεπικοινωνιών - με μόνη εξαίρεση την ανίχνευση ενός φωτονίου - με συνολική χαμηλή απώλεια (<4 dB) που εξασφαλίζεται από την τεχνολογία όλων των ινών. Η ακρίβεια και η ακρίβεια που επιτεύχθηκε στις μετρήσεις μας είναι τελευταίας τεχνολογίας για την κωδικοποίηση του κάδου συχνοτήτων, ακόμη και αν ληφθούν υπόψη τα αποτελέσματα που λαμβάνονται με μαζικές πηγές. πολύ πέρα από κάθε άλλη που έχει αναφερθεί μέχρι στιγμής σχετικά με την κωδικοποίηση του κάδου συχνότητας. Όλα αυτά τα αποτελέσματα θα οδηγήσουν στη χρήση qubit bin συχνότητας ως πρακτική επιλογή για φωτονικά qubit, ικανά να συνδυάζουν εύκολο χειρισμό και στιβαρότητα για μετάδοση μεγάλων αποστάσεων.

Μέθοδοι

Κατασκευή δειγμάτων

Η συσκευή κατασκευάστηκε στο CEA-Leti (Grenoble), σε ένα υπόστρωμα 200 mm Silicon-on-Insulator (SOI) με ένα άνω στρώμα συσκευής πάχους 220 nm από κρυσταλλικό πυρίτιο σε πάχος 2 μm SiO₂ θαμμένο οξείδιο. Η διαδικασία διαμόρφωσης των συσκευών και κυκλωμάτων φωτονικής πυριτίου συνδυάζει λιθογραφία βαθιάς υπεριώδους (DUV) με ανάλυση 120 nm, επαγωγικά συζευγμένη χάραξη πλάσματος (που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με την LTM—Laboratoire des Technologies de la Microélectronique) και το O₂ Το πλάσμα αντιστέκεται στην απογύμνωση. Η ανόπτηση υδρογόνου πραγματοποιήθηκε για να μειωθεί σημαντικά η τραχύτητα του πλευρικού τοιχώματος του κυματοδηγού που προκαλείται από χάραξη²⁹. Μετά από ενθυλάκωση πλάσματος υψηλής πυκνότητας, οξειδίου χαμηλής θερμοκρασίας (HDP-LTO)—με αποτέλεσμα ένα SiO πάχους 1125 nm₂ στρώμα - 110 nm νιτριδίου τιτανίου (TiN) εναποτέθηκαν και διαμορφώθηκαν για να δημιουργηθούν οι μετατοπιστές θερμικής φάσης, ενώ ένα στρώμα αλουμινίου-χαλκού (AlCu) χρησιμοποιήθηκε για τον ορισμό του ηλεκτρικού μαξιλαριού. Τέλος, μια βαθιά χάραξη που συνδυάζει δύο διαφορετικά βήματα — Γ₄F₈/O₂Το πλάσμα /CO/Ar που διατρέχει ολόκληρο το πάχος τόσο της άνω επένδυσης πυριτίου όσο και του θαμμένου οξειδίου, ακολουθούμενο από ένα βήμα χάραξης ιόντων βαθιάς αντίδρασης (DRIE) της Bosch για την αφαίρεση 150 μm του υποστρώματος Si πάχους 725 μm—εφαρμόστηκε για τον διαχωρισμό του υποστρώματος ζάρια, εξασφαλίζοντας έτσι υψηλής ποιότητας πλευρικές πλευρές οπτικής ποιότητας για σύζευξη ακμών από τσιπ σε ίνα.

Γραμμική φασματοσκοπία

Η πειραματική συσκευή αναπαρίσταται σχηματικά στο Συμπληρωματικό Σχ. 1. Ο γραμμικός χαρακτηρισμός του δείγματος που φαίνεται στο Σχ. 1 πραγματοποιήθηκε με σάρωση του μήκους κύματος ενός ρυθμιζόμενου λέιζερ (Santec TSL-710), με την πόλωσή του να ελέγχεται από έναν ελεγκτή πόλωσης ινών (PC). Το φως συζεύχθηκε με το δείγμα στην είσοδο του κυματοδηγού διαύλου και συλλέχθηκε στην έξοδο χρησιμοποιώντας ένα ζεύγος ινών με φακό (ονομαστική διάμετρος πεδίου λειτουργίας: 3 μm), με απώλεια εισαγωγής μικρότερη από 3 dB/όψη. Το σήμα εξόδου ανιχνεύθηκε από μια ενισχυμένη φωτοδίοδο InGaAs και καταγράφηκε σε πραγματικό χρόνο από έναν παλμογράφο. Η διαμόρφωση συντονισμού προσαρμόστηκε αντιμετωπίζοντας τον μετατοπιστή φάσης κάθε αντηχείου δακτυλίου με ηλεκτρικούς ανιχνευτές που κινούνται από το τροφοδοτικό πολλαπλών καναλιών.

Μη γραμμικός χαρακτηρισμός

Η απόδοση SFWM για κάθε συντονιστή αξιολογήθηκε μέσω πειραμάτων κλιμάκωσης ισχύος (Εικ. 2). Η ροή των παραγόμενων αδρανών φωτονίων και των φωτονίων σήματος μετρήθηκε μεταβάλλοντας την ισχύ της αντλίας που συζευγνύεται σε κάθε μικροδακτύλιο, διατηρώντας παράλληλα τους συντονισμούς στη θέση τους ενεργώντας στους θερμοηλεκτρικούς μετατοπιστές φάσης. Το ρυθμιζόμενο φάσμα της πηγής λέιζερ φιλτραρίστηκε από ένα φίλτρο ζώνης (BP) για να μειωθεί ο αριθμός των ψευδών φωτονίων σε συχνότητες σήματος και αδρανούς συχνότητας που προέρχονται από το τμήμα εκτόξευσης της εγκατάστασης, που σχετίζονται κυρίως με την ενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή της διόδου λέιζερ και τον φθορισμό Raman από το ίνες. Το συλλεγμένο σήμα και τα αδρανή φωτόνια διαχωρίστηκαν αρχικά χρησιμοποιώντας έναν πολυπλέκτη διαίρεσης χονδροειδούς μήκους κύματος (CWDM), με ονομαστικό διαχωρισμό καναλιών 2.5 THz (20 nm) και μετρημένη διακαναλική συνομιλία < -80 dB. Στη συνέχεια, οι κάδοι συχνοτήτων που μας ενδιαφέρουν φιλτράρονται στενής ζώνης (3 dB-εύρος ζώνης: 8 GHz) από ένα ζεύγος ρυθμιζόμενων δικτυωμάτων Bragg (FBG): εκτός από την επιλογή των δοχείων συχνότητας με υψηλή ακρίβεια, αυτή η διαδικασία καταστέλλει επίσης κάθε πλαστό φωτόνιο ευρυζωνικότητας που πέφτει εκτός του εύρος ζώνης του φίλτρου ζώνης εισόδου και δεν εξαλείφεται από το CWDM. Το προκύπτον σήμα και τα αδρανή φωτόνια δρομολογήθηκαν, χρησιμοποιώντας κυκλοφορητές, προς δύο υπεραγώγιμους ανιχνευτές μονοφωτονίου (SSPDs), όπου η μέτρηση ενός φωτονίου με συσχέτιση με το χρόνο (TCSPC) πραγματοποιήθηκε με ακρίβεια περίπου 35 ps, κυρίως προσδιοριζόμενη από το jitter του ανιχνευτή . Ένα παράθυρο σύμπτωσης του τ_c = 380 ps επιλέχθηκε επιλέγοντας το μέσο πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο (FWHM) της κορυφής του ιστογράμματος. Οι τυχαίες μετρήσεις εκτιμήθηκαν από το ιστορικό επίπεδο. Σημειώστε ότι αυτή η τιμή δεν αφαιρείται από τον αριθμό των συμπτώσεων που μετρήθηκαν, αλλά χρησιμοποιήθηκε μόνο για την εκτίμηση της αναλογίας σύμπτωσης προς τυχαίο, σύμφωνα με τον τύπο:

C A R = t o t a l c o u n t s i n c o i n c . w i n d o w - a c c i d e n t a l c o u n t s i n c o i n c . w i n d o w a c c i d e n t a l c o u n t s i n c o i n c i d e n c e w i n d o w .

(3)

Κβαντική τομογραφία κατάστασης

Η συμβολομετρία δύο φωτονίων και η τομογραφία των παραγόμενων κβαντικών καταστάσεων πραγματοποιήθηκαν με τη συμπερίληψη ενός ζεύγους EOMs έντασης (iXblue MX-LN) στις εξόδους σήματος και αδρανούς αποπολυπλέκτη, που οδηγούνται συνεκτικά από μια γεννήτρια ραδιοσυχνοτήτων πολλαπλών καναλιών (AnaPico APMS20G). Οι πλευρικές ζώνες ενδιαφέροντος επιλέχθηκαν με συντονισμό του μήκους κύματος της κεντρικής ζώνης διακοπής των FBG. Η τοπογραφία κάθε κβαντικής κατάστασης περιλάμβανε 16 μεμονωμένες μετρήσεις, η καθεμία εκτελούμενη σε χρόνο απόκτησης 15 δευτερολέπτων. Για κάθε μέτρηση, κάθε FBG συντονίστηκε σε μία από τις τρεις συχνότητες πλευρικής ζώνης που ελήφθησαν από τη διαμόρφωση των δοχείων σήματος (idler) και η σχετική φάση του EOM προσαρμόστηκε κατάλληλα. Η εκτίμηση των πινάκων πυκνότητας πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής μέγιστης πιθανότητας^21,22. Για τη γενιά των κρατών στο ${| 01 ⟩, | 10 ⟩}$ βάση (διαμόρφωση Ψ), προσθέσαμε ένα EOM φάσης στην είσοδο της ρύθμισης, με συνέπεια την ίδια πηγή ραδιοσυχνοτήτων που χρησιμοποιείται για την τομογραφία, και εισαγάγαμε το τσιπ στον κυματοδηγό διαύλου. Στη συνέχεια, οι δακτύλιοι δύο γενεών αντλήθηκαν από τις πλευρικές ζώνες πρώτης τάξης, ενώ η σχετική φάση τους καθορίστηκε από τη φάση της διαμόρφωσης.

Μέτρηση qudits

Για την Z-Μέτρηση συσχέτισης βάσης, χρησιμοποιείται ένα σύνολο διαφορετικών προβολέων (για κάθε φωτόνιο) για κάθε κατάσταση βάσης. Ο προβολέας ${| l ⟩}_{s} {| m ⟩}_{i}$ υλοποιείται ρυθμίζοντας το σήμα (αδρανές) FBG να αντικατοπτρίζει μόνο τον κάδο συχνοτήτων l(m). Για εκείνους τους συνδυασμούς που φέρουν αμελητέους αριθμούς (που αντιστοιχούν σε μη συσχετισμένα δοχεία συχνότητας), η κεντρική συχνότητα των δύο FBG δεν μπορεί να προσδιοριστεί απλά μεγιστοποιώντας τον ρυθμό σύμπτωσης ή τη ροή των μεμονωμένων σε κάθε κάδο. Για να το παρακάμψουμε αυτό, συνδέσαμε μια δευτερεύουσα δέσμη λέιζερ στην αντίθετη κατεύθυνση διάδοσης σε σχέση με αυτήν της αντλίας και καταγράψαμε το φως που αντανακλάται προς τα πίσω από το δείγμα. Τα φάσματα του τελευταίου παρακολουθούνται αφού μεταδοθούν από τα FBG και αποκαλύπτουν ταυτόχρονα τη φασματική θέση της ζώνης διακοπής του FBG και τις τέσσερις συχνότητες συντονισμού των δακτυλίων. Με αυτόν τον τρόπο, η ζώνη διακοπής μπορεί να επικαλύπτεται με τον επιθυμητό κάδο συχνοτήτων με υψηλή ακρίβεια.

[/ et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]

Αφήστε μια απάντηση Ακύρωση απάντησης

Σχετικές αναρτήσεις

Προβλήματα νερού στο εργαστήριο; Modulab – Η απόλυτη λύση για συνεπές, καθαρό νερό!

Σεπτέμβριος 9, 2025

Απόλυτος οδηγός: Προδιαγραφές και εφαρμογές συναρμολόγησης ανύψωσης AP35-3 & σωλήνα SS

Σεπτέμβριος 9, 2025

νέα

The Beginner's Guide to Semiconductor Wafer Standards

Σεπτέμβριος 9, 2025

Βιογραφικό Applied Physics ΗΠΑ

Από 1992, Applied Physics Η Corporation είναι κορυφαίος παγκόσμιος πάροχος προτύπων ακριβούς ελέγχου μόλυνσης και μετρολογίας. Ειδικευόμαστε στην οπτικοποίηση της ροής του αέρα, στα πρότυπα μεγέθους σωματιδίων και σε λύσεις απολύμανσης καθαρών χώρων για κρίσιμα περιβάλλοντα.