RU2626167C1

RU2626167C1 - Schemes of generation of modified ghc states

Info

Publication number: RU2626167C1
Application number: RU2016136165A
Authority: RU
Inventors: Павел Павлович Гостев; Сергей Александрович Магницкий
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии"; Общество с ограниченной ответственностью "Лазерлаб"
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2017-07-21

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: scheme for generating modified 3- and 4-mode GC states includes a pulsed laser, a beamsplitter, a delay line, and two optical parametric amplifiers. Diagonally polarised laser radiation is divided into two beams using a beamsplitter, which are then used to pump optical parametric amplifiers. In one of these amplifiers, a process of spontaneous parametric scattering is excited with the formation of two orthogonally spatially polarised modes with entangled bell states. Then one of the scattered beams is directed to the input of the second amplifier simultaneously with the pump pulse synchronized in time with the scattered pulse by means of the delay line. At the output of the second amplifier two spatial modes are formed, and in one of them a two-photon state is observed.

EFFECT: possibility of generating multiphoton states, the possibility of exchanging entanglements between sources.

6 cl, 5 dwg

Description

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ1. FIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области техники и конструкции источников коррелированных по времени и перепутанных по поляризации фотонов [1]. В настоящее время они являются одними из основных элементов квантово-оптической технологии, применяющихся или потенциально пригодных для применения в будущем в таких приложениях, как квантовая криптография, квантовая связь, сверхплотное кодирование, квантовые вычисления и компьютеры и т.п., а также занимающих важную роль в фундаментальных исследованиях.The invention relates to the field of technology and design of time-correlated and polarized-confused photon sources [1]. Currently, they are one of the main elements of quantum optical technology that are used or potentially suitable for future use in applications such as quantum cryptography, quantum communication, superdense coding, quantum computing and computers, etc., as well as occupying an important role in basic research.

Впервые идея создания источника коррелированных фотонов на основе процессов спонтанного параметрического рассеяния (СПР) была высказана в [2, 3]. Параметрическое рассеяние – это эффект распада высокочастотного фотона на два низкочастотных фотона, называемых сигнальным (фотон с большей или равной частотой) и холостым (фотон с меньшей или равной частотой). Для того чтобы процесс протекал эффективно, необходимо выполнение так называемых условий фазового синхронизма:The idea of creating a source of correlated photons based on processes of spontaneous parametric scattering (SPR) was first expressed in [2, 3]. Parametric scattering is the effect of the decay of a high-frequency photon into two low-frequency photons, called the signal (photon with a greater or equal frequency) and idle (photon with a lower or equal frequency). In order for the process to proceed efficiently, it is necessary to fulfill the so-called phase-matching conditions:

(1)

(one)

(2)

где

,

и

– частоты волны накачки, сигнальной и холостой волн соответственно, а

,

и

— их волновые вектора. Физически условия фазового синхронизма являются законами сохранения энергии

и импульса

. Закон сохранения импульса определяет геометрию рассеяния: в кристалле излучение на определенной длине волны рассеивается вдоль поверхности конуса, ось которого параллельна волновому вектору накачки

, а угол раствора определяется условиями синхронизма для выбранной длины волны.Where

,

and

Are the frequencies of the pump wave, the signal and idle waves, respectively, and

,

and

Are their wave vectors. Physically, phase matching conditions are energy conservation laws

and momentum

. The law of conservation of momentum determines the scattering geometry: in a crystal, radiation at a certain wavelength is scattered along the surface of the cone, the axis of which is parallel to the pump wave vector

, and the angle of the solution is determined by the synchronism conditions for the selected wavelength.

При СПР фотоны генерируются «парами» в жестко коррелированные моменты времени (практически одновременно, с точностью до времени прохода накачки через кристалл).In SPR, photons are generated in “pairs” at tightly correlated time instants (almost simultaneously, accurate to the time the pump passes through the crystal).

В вырожденном по частоте режиме генерации

.In a frequency-degenerate generation mode

.

2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ2. BACKGROUND

Задача высокоэффективной генерации многофотонных состояний в последнее время становится все более актуальной, особенно в контексте квантовых сетей [4]. Из уровня техники в данной области особый интерес представляют состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера (ГХЦ) [5], используемые, например, для квантовой криптографии [6] и квантовой телепортации [7].The task of highly efficient generation of multiphoton states has recently become more and more urgent, especially in the context of quantum networks [4]. Of the prior art in this area, Greenberger-Horn-Zeilinger (GHC) states [5], used, for example, for quantum cryptography [6] and quantum teleportation [7] are of particular interest.

К настоящему времени задача генерации 3-фотонных ГХЦ состояний решена, например, с помощью каскадного параметрического усиления [8-10] или нелинейного взаимодействия в волноводных структурах [11].To date, the problem of generating 3-photon GHC states has been solved, for example, using cascade parametric amplification [8–10] or nonlinear interaction in waveguide structures [11].

К недостаткам упомянутых и других известных устройств относится то, что указанные схемы являются технически и концептуально сложными, а также то, что существуют определенные достаточно строгие ограничения на длины волн фотонов, составляющих генерируемый триплет.The disadvantages of these and other known devices include the fact that these schemes are technically and conceptually complex, as well as the fact that there are certain rather stringent restrictions on the wavelengths of the photons that make up the generated triplet.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является схема универсальной квантовой клонирующей машины с клонированием однофотонной инжекции в кристаллическом параметрическом усилителе при втором типе синхронизма [12].The closest technical solution adopted for the prototype is the scheme of a universal quantum cloning machine with cloning of single-photon injection in a crystalline parametric amplifier with the second type of synchronism [12].

Квантовое клонирование при параметрическом усилении – достаточно исследованное явление, однако только для второго (

) типа синхронизма [12-15]. Это связано с тем, что при таком варианте усиления реализуется так называемое оптимальное клонирование, т. е. клонирование с независящей от входного состояния достоверностью [16] процесса.Quantum cloning with parametric amplification is a fairly investigated phenomenon, but only for the second (

) type of synchronism [12-15]. This is due to the fact that with this variant of amplification, the so-called optimal cloning is implemented, that is, cloning with the reliability of the process independent of the input state [16].

Хорошо известно [17], что для достижения фазового синхронизма нужно, чтобы волна накачки была ориентирована не обыкновенно, а оптическая ось кристалла была ориентирована под некоторым углом к направлению распространения излучения накачки (условно ось Z). При этом, в зависимости от ориентации оптической оси и длины волны накачки, можно в одном и том же кристалле реализовать как синхронизм первого (

), так и второго (

) типа.It is well known [17] that in order to achieve phase synchronism, it is necessary that the pump wave is not oriented normally, and the optical axis of the crystal is oriented at a certain angle to the direction of propagation of the pump radiation (conditionally, the Z axis). Moreover, depending on the orientation of the optical axis and the pump wavelength, it is possible to realize in the same crystal as the synchronism of the first (

), and the second (

) type.

1. В предлагаемом техническом решении рассматривается новая возможность генерации 3-х и 4-х ГХЦ состояний, основанная на клонировании однофотонной инжекции в кристаллическом параметрическом усилителе при первом (

) типе синхронизма. Предлагаемые решения с использованием параметрического усиления первого типа имеют качественно другие информационные характеристики процесса клонирования относительно схемы с квантовой инжекцией, что значительно расширяет функциональные возможности использования данной схемы для генерации многофотонных состояний.1. The proposed technical solution considers a new possibility of generating 3 and 4 GHC states based on the cloning of single-photon injection in a crystalline parametric amplifier at the first (

) type of synchronism. The proposed solutions using parametric amplification of the first type have qualitatively different informational characteristics of the cloning process relative to the quantum injection circuit, which greatly expands the functionality of using this circuit to generate multiphoton states.

3. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ3. SUMMARY OF THE INVENTION

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, достигается тем, что предложена схема генерации модифицированных 3-модовых ГХЦ состояний на основе однофотонного клонирования при параметрическом усилении типа 1. Схема включает в себя импульсный лазер с диагонально поляризованным излучением, разделенным с помощью светоделителя на два пучка для одновременного накачивания двух оптических параметрических усилителей ортогонально поляризованных компонент, которые могут быть реализованы с помощью сдвоенных нелинейных кристаллов, переполяризованных кристаллов, а также интерференционных систем; в одном из источников возбуждается процесс спонтанного параметрического рассеяния (СПР) с образованием двух ортогонально поляризованных (горизонтально и вертикально относительно друг друга) пространственных мод с максимально перепутанным белловским состоянием света

, локализованным в однофотонных импульсах, после чего один из рассеянных пучков (инжектируемый) направляется на вход второго источника (оптического параметрического усилителя (ОПУ)) одновременно со сформированным с помощью указанного светоделителя импульсом накачки, синхронизированным с помощью линии задержки по времени с инжектируемым в ОПУ импульсом; инжектируемая пространственная мода ориентирована под определенным углом по отношению ко второму кристаллу-усилителю таким образом, что на выходе из второго кристалла формируются две пространственные моды, причем в пространственной моде, коллинеарной (совпадающей по направлению) с направлением распространения инжектируемой моды, наблюдается двухфотонное состояние.The technical result to which the invention is directed is achieved by the fact that a scheme is proposed for generating modified 3-mode GHC states based on single-photon cloning with type 1 parametric amplification. The circuit includes a pulsed laser with diagonally polarized radiation separated by a beam splitter into two beams for simultaneous pumping of two optical parametric amplifiers of orthogonally polarized components, which can be realized using dual nonlinear x crystals repolarized crystals and interference systems; in one of the sources, the process of spontaneous parametric scattering (SPR) is excited with the formation of two orthogonally polarized (horizontally and vertically relative to each other) spatial modes with a maximally confused Bell state of light

localized in single-photon pulses, after which one of the scattered beams (injected) is sent to the input of the second source (optical parametric amplifier (OPA)) simultaneously with the pump pulse generated using the specified beam splitter, synchronized by a time delay line with the pulse injected into the OPA ; the injected spatial mode is oriented at a certain angle with respect to the second amplifier crystal in such a way that two spatial modes are formed at the exit from the second crystal, and in the spatial mode collinear (coinciding in direction) with the direction of propagation of the injected mode, a two-photon state is observed.

Другим предметом изобретения является то, что наличие двухфотонного состояния в одной из мод позволяет реализовать две возможные схемы генерации: 3- и 4-фотонных состояний ГХЦ, путем дополнительного установления светоделителя на выходе из ОПУ в инжектируемой моде. При этом состояние превращается в обычное 4-фотонное состояние ГХЦ.Another subject of the invention is that the presence of a two-photon state in one of the modes makes it possible to realize two possible generation schemes: 3- and 4-photon states of the GHC, by additionally establishing a beam splitter at the output of the GPC in the injected mode. In this case, the state turns into the usual 4-photon state of the GHC.

Еще одним предметом изобретения является то, что при установке в один из каналов диагонально ориентированного поляризатора, четырехфотонное ГХЦ состояние редуцируется к трехфотонному ГХЦ состоянию и фотону-предвестнику в суперпозиционном поляризационном состоянии.Another subject of the invention is that when a diagonally oriented polarizer is installed in one of the channels, the four-photon GHC state is reduced to the three-photon GHC state and the precursor photon in a superposition polarizing state.

Следующим предметом изобретения является то, что при одномодовом клонировании состояния с использованием источников типа 1 можно реализовать и обмен перепутыванием между источниками.The next subject of the invention is that with single-mode cloning of the state using sources of type 1, it is possible to realize the exchange of entanglement between the sources.

Предметом изобретения является и то, что предложенная схема легко масштабируется на случай большого числа источников.The subject of the invention is that the proposed scheme is easily scalable to the case of a large number of sources.

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ4. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Сущность изобретения поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на рис. 1a представлена упрощенная известная схема генерации 3-фотонных ГХЦ состояний, основанная на каскадном параметрическом усилении [10] (схема prior art, из числа наиболее близких аналогов),in fig. 1a presents a simplified well-known scheme for generating 3-photon GHC states based on cascade parametric amplification [10] (prior art scheme, from among the closest analogues),

на рис. 1b представлена упрощенная известная схема генерации 3-х ГХЦ состояний, основанная на клонировании путем однофотонной инжекции в кристаллическом параметрическом усилителе [12] (схема prior art, принятая за прототип),in fig. 1b presents a simplified known scheme for generating 3 GHC states based on cloning by single-photon injection in a crystalline parametric amplifier [12] (prior art scheme adopted as a prototype),

на рис. 2 представлен первый вариант схемы генерации модифицированных ГХЦ состояний,in fig. 2 presents the first version of the scheme for generating modified GHC states,

на рис. 3 представлен второй вариант схемы генерации модифицированных ГХЦ состояний,in fig. Figure 3 shows the second variant of the scheme for generating modified GHC states,

на рис. 4 представлен третий вариант схемы генерации модифицированных ГХЦ состояний.in fig. Figure 4 shows the third version of the scheme for generating modified GHC states.

5. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ5. EMBODIMENTS OF THE INVENTION

Наиболее близкими техническими решениями, принятыми за аналог и прототип предлагаемого технического решения, по мнению авторов настоящей заявки, являются:The closest technical solutions adopted for the analogue and prototype of the proposed technical solution, according to the authors of this application, are:

1. Схема генерации 3-фотонных ГХЦ состояний с помощью каскадного параметрического усиления [10] (наиболее близкий prior art аналог).1. Scheme of generation of 3-photon GHC states using cascade parametric amplification [10] (the closest prior art analog).

2. Схема универсального клонирования при инжекционном параметрическом усилении [12] (prior art прототип). 2. The scheme of universal cloning with injection parametric amplification [12] (prior art prototype).

Схема генерации 3-фотонных ГХЦ состояний (триплетов) с помощью каскадного параметрического усиления [10] состоит из основных узлов и элементов (рис. 1а), функционирующих в следующем режиме.The scheme for generating 3-photon GHC states (triplets) using cascade parametric amplification [10] consists of the main nodes and elements (Fig. 1a) operating in the following mode.

Источник ЭПР-пар 10 накачивается лазером накачки 11 и испускает фотонные пары в модах 10а и 10b в максимально перепутанном (на рис. 1а перепутанность условно обозначена ломаными линиями) белловском состоянии:The source of EPR pairs 10 is pumped by a pump laser 11 and emits photon pairs in modes 10a and 10b in the maximum entangled (in Fig. 1a entanglement is conditionally indicated by broken lines) Bell state:

(3)

Пучок 10b служит накачкой для параметрического генератора 12, который из фотона в моде 10b генерирует фотонную пару 13а и 13b с поляризацией, совпадающей с фотоном накачки, т.е.Beam 10b serves as a pump for a parametric generator 12, which from a photon in mode 10b generates a photon pair 13a and 13b with a polarization matching the pump photon, i.e.

(4)

(four)

Таким образом, в модах 12а, 13а и 13b общее состояние принимает форму ГХЦ-триплета:Thus, in modes 12a, 13a and 13b, the general state takes the form of an GHC triplet:

(5)

Однако схема генерации 3-фотонных ГХЦ состояний с помощью каскадного параметрического усиления, приведенная на рис. 1а, имеет следующие недостатки:However, the scheme for generating 3-photon GHC states using cascade parametric amplification shown in Fig. 1a has the following disadvantages:

1. Использование одной из мод первого каскада в качестве накачки второго каскада, в то время, как в предлагаемом авторами настоящей заявки техническом решении накачка у каскадов общая, при этом одна из мод первого каскада инжектируется во второй.1. The use of one of the modes of the first cascade as the pumping of the second cascade, while in the technical solution proposed by the authors of this application, the pumping of the cascades is common, while one of the modes of the first cascade is injected into the second.

2. Ограничения на длины волн генерируемых фотонов, связанных тройными условиями синхронизма:2. Limitations on the wavelengths of the generated photons associated with the triple synchronism conditions:

(6)

В предлагаемом техническом решении, как будет показано ниже, условия синхронизма другие:In the proposed technical solution, as will be shown below, the conditions for synchronism are different:

(7)

Хорошо известно, что универсальная квантовая клонирующая машина предназначена для клонирования инжекции в фоковском, в частности однофотонном, состоянии с независящей от поляризации надежностью. Общая схема подобной машины представлена на рис. 1b и представляет собой параметрический усилитель с квантовой инжекцией [12].It is well known that a universal quantum cloning machine is designed to clone injection in the Fock, in particular single-photon, state with polarization-independent reliability. The general scheme of such a machine is shown in Fig. 1b and is a parametric quantum injection amplifier [12].

Два одинаковых нелинейных кристалла 14а и 14b, вырезанных под второй тип синхронизма, накачиваются импульсным лазером 15 в моменты времени, синхронизованные с помощью линии задержки 16 таким образом, что рассеянное излучение 17a приходит в кристалл 14b одновременно с импульсом накачки 15. В общем случае состояние в моде 17a многофотонное.Two identical nonlinear crystals 14a and 14b cut to a second type of synchronism are pumped by a pulsed laser 15 at times synchronized by a delay line 16 so that the scattered radiation 17a arrives at the crystal 14b simultaneously with the pump pulse 15. In general, the state in fashion 17a multiphoton.

В кристалле 14b происходит параметрическое усиление, которое, за счет того, что используется 2-й тип синхронизма, преобразует входное состояние согласно преобразованием универсальной или оптимальной квантовой клонирующей машины. Таким образом, в моде 18а помимо входного фотона инжекции возникает дополнительный (клонирование

, т.е. на каждый входной фотон приходится два выходных), а в моде 18b возникает антиклон, т. е. состояние с ортогональной поляризацией. Достоверность клонирования в такой системе не зависит от поляризации инжекционного фотона.In the crystal 14b, parametric amplification occurs, which, due to the fact that the 2nd type of synchronism is used, transforms the input state according to the transformation of a universal or optimal quantum cloning machine. Thus, in mode 18a, in addition to the input injection photon, an additional (cloning

, i.e. for each input photon there are two output), and in mode 18b an anticlon appears, i.e., a state with orthogonal polarization. The reliability of cloning in such a system does not depend on the polarization of the injection photon.

Фотон в моде 17b является реперным, т. е. срабатывание детектора 19а говорит о том, что произошло усиление моды 17a, соответственно, обнаружение фотонов в модах 18а и 18b говорит об успешном клонировании.The photon in mode 17b is the reference one, i.e., the operation of the detector 19a indicates that the amplification of mode 17a has occurred, respectively, the detection of photons in modes 18a and 18b indicates successful cloning.

Схема универсальной квантовой клонирующей машины хоть и сходна конструктивно с предлагаемым в настоящей заявке техническим решением, имеет, помимо всего прочего, два важных технических отличия:The scheme of a universal quantum cloning machine, although structurally similar to the technical solution proposed in this application, has, among other things, two important technical differences:

1. В машине используется и учитывается только один пучок 17а из первого источника ЭПР-пар 14а, второй же пучок 17b является реперным, т.е. лишь подтверждает факт прихода правильных фотонов в пучках клона и антиклона. Поляризация реперного фотона 17b не измеряется, а происходит редукция общего состояния путем установки перед детектором диагонально ориентированного поляризатора 19b. В предлагаемом техническом решении информационно значима поляризация всех трех мод.1. Only one beam 17a from the first source of EPR pairs 14a is used and taken into account in the machine, while the second beam 17b is the reference one, i.e. only confirms the fact of the arrival of regular photons in the clone and anticlon beams. The polarization of the reference photon 17b is not measured, but the general state is reduced by installing a diagonally oriented polarizer 19b in front of the detector. In the proposed technical solution, the polarization of all three modes is informationally significant.

2. В машине используются кристаллы, вырезанные под второй тип синхронизма, что влияет на генерируемое каждым состояние и, в конечном итоге, на конечное состояние в модах. В предлагаемом в настоящей заявке техническом решении возможно использование различных конструкций приборов, эквивалентных нелинейному кристаллу, вырезанному под первый тип синхронизма.2. The machine uses crystals cut into a second type of synchronism, which affects the state generated by each and, ultimately, the final state in the modes. In the technical solution proposed in this application, it is possible to use various designs of devices equivalent to a nonlinear crystal cut to the first type of synchronism.

В заявляемом техническом решении предлагается несколько вариантов схемы генерации модифицированных ГХЦ состояний.The claimed technical solution proposes several options for the generation scheme of modified GHC states.

Первая схема представлена на рис. 2, где основными элементами источника являются оптические параметрические усилители ортогонально поляризованных пучков 20а и 20b, состоящие, например, из сдвоенных между собой нелинейно оптических кристаллов, например, бета-бората-бария (

, или сокращенно, ВВО) со скрещенными направлениями оптических осей в каждой из пар. Такая ориентация скрещенных между собой кристаллов позволяет осуществлять схему вырожденного по частоте неколлинеарного взаимодействия 1-го (

) типа [18]. Ее популярность обусловлена балансом между хорошими характеристиками генерируемого излучения и конструктивной простотой, не требующей интерферометрической стабильности. Как и в прототипе, сдвоенные кристаллы 20а и 20b выполняют роль источника состояний Белла

(20а) с образованием пары пространственных мод — потоков поляризационно-запутанных фотонов 21а и 21b, одна из которых (мода 21b) служит инжекцией для второго, аналогичного по конструкции с ним (20а) устройства, в роли оптического параметрического усилителя (ОПУ) (20b).The first diagram is shown in Fig. 2, where the main elements of the source are optical parametric amplifiers of orthogonally polarized

beams

20a and 20b, consisting, for example, of dual nonlinear optical crystals, for example, beta-borate-barium (

, or abbreviated BBO) with crossed directions of the optical axes in each of the pairs. This orientation of the crystals crossed among themselves allows us to carry out the scheme of the degenerate in frequency noncollinear interaction of the 1st (

) type [18]. Its popularity is due to the balance between the good characteristics of the generated radiation and the structural simplicity that does not require interferometric stability. As in the prototype, the

dual crystals

20a and 20b act as a source of Bell states

(20a) with the formation of a pair of spatial modes — flows of polarization-entangled

photons

21a and 21b, one of which (mode 21b) serves as an injection for the second device, similar in design to it (20a), in the role of an optical parametric amplifier (OPA) (20b )

Оба оптических элемента накачиваются импульсным лазером 22 с диагонально поляризованным излучением. Каждый из них обеспечивает равноэффективное усиление компонент света с ортогональными поляризациями (условно горизонтальной и вертикальной). Для этого излучение лазера 22 делится на два пучка 22а и 22b светоделителем BS1 23 и накачивает EPR source (20а) и оптический параметрический усилитель ОПА (20b). В случае неравноэффективного усиления разных поляризационных компонент изменится конечное состояние поля.Both optical elements are pumped by a pulsed laser 22 with diagonally polarized radiation. Each of them provides equally effective amplification of light components with orthogonal polarizations (conventionally horizontal and vertical). For this, the radiation of the laser 22 is divided into two beams 22a and 22b by the beam splitter BS1 23 and pumps the EPR source (20a) and the optical parametric amplifier OPA (20b). In the case of an ineffective amplification of different polarization components, the final state of the field will change.

В сдвоенном кристалле источника ЭПР-пар 20a накачкой 22a от лазера 22 возбуждается процесс спонтанного параметрического рассеяния (СПР), в результате которого в пространственных модах 21а и 21b создается максимально перепутанное белловское состояние света

, локализованное в однофотонных импульсах. Мода 21b вводится в ОПУ 20b одновременно с импульсом накачки 22b, что обеспечивается линией задержки 24, синхронизирующей временные задержки на входе ОПУ 20b между рассеянным излучением из прибора 20а и накачкой 22b.In a twin crystal of the EPR pair source 20a, pumping 22a from the laser 22 initiates the process of spontaneous parametric scattering (SPR), as a result of which the maximally entangled Bell state of light is created in

spatial modes

21a and 21b

localized in single-photon pulses. The mode 21b is introduced into the amplifier 20b simultaneously with the pump pulse 22b, which is provided by a delay line 24, which synchronizes the time delays at the input of the amplifier 20b between the scattered radiation from the device 20a and the pump 22b.

За счет введения в прибор 20b накачки 22b и рассеянной компоненты 21b одновременно в нем происходит формирование рассеянной компоненты 21с и инжекционное усиление рассеянной компоненты 21b, за счет чего общее состояние мод 21а, 21с и 21d имеет вид:Due to the introduction of the pump 22b and the scattered component 21b into the device 20b, the scattered component 21c and the injection amplification of the scattered component 21b are simultaneously formed in it, due to which the general state of the modes 21a, 21c and 21d has the form:

(8)

где

— фоковские состояния света в определенной пространственной моде (нижний индекс) и с определенной поляризацией (верхний индекс);

— состояние Белла в соответствующих пространственных модах.Where

- Fock states of light in a certain spatial mode (subscript) and with a certain polarization (superscript);

- Bell's state in the corresponding spatial modes.

Первое слагаемое является состоянием ГХЦ с двумя фотонами в одной из мод.The first term is the state of the GCC with two photons in one of the modes.

Наличие двухфотонного состояния в одной из мод позволяет реализовать две возможные схемы генерации: 3- и 4-фотонных состояний ГХЦ. The presence of a two-photon state in one of the modes makes it possible to realize two possible generation schemes: 3- and 4-photon states of GHC.

Для их реализации в пространственную моду 21d устанавливается светоделитель BS2 31, как показано на рис. 3. В результате с формированием пространственных мод 32а и 32b суммарное состояние превращается в обычное 4-фотонное состояние ГХЦ:To implement them, a beam splitter BS2 31 is installed in the spatial mode 21d, as shown in Fig. 3. As a result, with the formation of spatial modes 32a and 32b, the total state turns into the usual 4-photon state of the GCC:

(9)

При дополнительной установке в один из каналов 32а или 32b диагонально ориентированного поляризатора 41 (для определенности в 32а на рис. 4) оно редуцируется к трехфотонному состоянию ГХЦ и фотону-предвестнику в суперпозиционном поляризационном состоянии:When additionally installed in one of the channels 32a or 32b of a diagonally oriented polarizer 41 (for definiteness, 32a in Fig. 4), it decreases to the three-photon state of the GCC and the precursor photon in a superposition polarizing state:

(10)

Таким образом, предложенная схема позволяет создавать 3- и 4-фотонные ГХЦ состояния с максимальной эффективностью не ниже 1%, которая зависит от конкретной конструкции ОПУ и параметров лазера накачки.Thus, the proposed scheme makes it possible to create 3- and 4-photon GHC states with a maximum efficiency of at least 1%, which depends on the specific design of the GPC and the parameters of the pump laser.

При одномодовом клонировании состояния с использованием источников типа 1 одновременно реализуется и обмен перепутыванием между источниками, теоретически предложенный в 1993 г. [19] и экспериментально подтвержденным в 1998 г. [20], который состоит в перепутывании двух частиц системы при измерении остальной ее части в определенном состоянии.In single-mode cloning of states using type 1 sources, the entanglement exchange between sources is simultaneously realized, theoretically proposed in 1993 [19] and experimentally confirmed in 1998 [20], which consists in entangling two particles of a system while measuring the rest of it in a certain condition.

Основная идея оригинальных работ состоит в том, что если создать два независимых белловских состояния и измерить пару фотонов из разных источников в белловском состоянии, то другая пара окажется перепутанной. Строго говоря, предлагаемый процесс основан на причинно-взаимодействующих источниках, а не на полностью независимых, однако перепутываются не взаимодействовавшие ранее фотоны.The main idea of the original works is that if you create two independent Bell states and measure a pair of photons from different sources in the Bell state, the other pair will be confused. Strictly speaking, the proposed process is based on causally interacting sources, and not on completely independent ones, but photons that have not interacted before are confused.

Рассмотрим обмен перепутыванием между источниками с частичной причинной связью. Можно показать, что если определенным образом измерить часть состояния (8), соответствующую моде 21b, то моды 21a и 21c, которые друг с другом не взаимодействуют, окажутся перепутанными.Consider the confusion exchange between partial causal sources. It can be shown that if a part of state (8) corresponding to mode 21b is measured in a certain way, then modes 21a and 21c that do not interact with each other turn out to be confused.

Фотоны в моде 21d при корректном усилении с однофотонного состояния неразличимы и образуют один импульс. Подействуем на моду 21d двухфотонным оператором селекции поляризации, выделяющим суперпозиционную диагонально ориентированную компоненту.Photons in mode 21d, when correctly amplified from a single-photon state, are indistinguishable and form a single pulse. We act on mode 21d with a two-photon polarization selection operator that selects a superpositionally diagonally oriented component.

При измерении двухфотонного состояния с диагональной поляризацией в моде 21b состояние мод 21a и 21c редуцируется к симметричному белловскому, т. е. запутанность между модами 21a и 21b (или 21b и 21c) «переносится» на моды 21a и 21c. When measuring a two-photon state with diagonal polarization in mode 21b, the state of modes 21a and 21c is reduced to the symmetric Bell state, that is, the entanglement between modes 21a and 21b (or 21b and 21c) is “transferred” to modes 21a and 21c.

Обмен перепутыванием в классическом виде с использованием источников типа 1 уже частично исследовался [21], однако предложенная в данном техническом решении схема является новой.Classical confusion exchange using type 1 sources has already been partially investigated [21], however, the scheme proposed in this technical solution is new.

Таким образом, при заявляемом техническом решении одномодового клонирования состояния с использованием источников типа 1 одновременно реализуется и обмен перепутыванием между источниками.Thus, with the claimed technical solution of single-mode cloning of state using sources of type 1, the exchange of entanglement between sources is simultaneously realized.

Таким образом, преимуществами предложенных в заявке схем являются:Thus, the advantages of the schemes proposed in the application are:

1. Другие условия синхронизма позволяют реализовать вырожденный режим генерации, когда все конечное состояние состоит из фотонов с одинаковой частотой, чего невозможно достичь в каскадной схеме (рис. 1а) вследствие резкого понижения частоты во втором каскаде.1. Other conditions of synchronism make it possible to realize a degenerate generation regime when the entire final state consists of photons with the same frequency, which cannot be achieved in the cascade scheme (Fig. 1a) due to a sharp decrease in the frequency in the second cascade.

2. Использование вырожденного по частоте режима позволяет работать полностью в видимом диапазоне, где существуют дешевые и высокоэффективные счетчики фотонов.2. Using a frequency-degenerated mode allows you to work fully in the visible range, where there are cheap and highly efficient photon counters.

3. Использование фотона в качестве инжекции, а не накачки, позволяет сохранить равной интенсивность накачки, а следовательно, и генерации в модах первого и второго каскада, чего невозможно достичь в каскадной схеме (рис. 1а) вследствие низкой эффективности генерации во втором каскаде, а соответственно, резкого снижения интенсивности в модах 13а и 13b.3. Using a photon as an injection rather than a pump allows one to keep the pump intensity and, therefore, the generation in the modes of the first and second stages equal, which cannot be achieved in the cascade scheme (Fig. 1a) due to the low generation efficiency in the second stage, but accordingly, a sharp decrease in intensity in modes 13a and 13b.

4. Повышенная эффективность генерации относительно числа импульсов накачки. В [14] измерена эффективность клонирования, которая оценивается как 0,01 на импульс накачки или 700 отсчетов в секунду. Такие или лучшие характеристики, в силу общности архитектуры, свойственны и предлагаемой схеме. Для сравнения, в статье [8] число сгенерированных триплетов оценено в 4798 за 7,2 часа или примерно 0,2 триплета в секунду.4. Increased generation efficiency relative to the number of pump pulses. In [14], the cloning efficiency was measured, which is estimated at 0.01 per pump pulse or 700 samples per second. Such or better characteristics, due to the commonality of architecture, are also characteristic of the proposed scheme. For comparison, in the article [8] the number of generated triplets was estimated at 4798 in 7.2 hours or approximately 0.2 triplets per second.

5. Клонирование в предлагаемых схемах идеально, т. е. достоверность процесса единична, для всех необходимых состояний, которые являются базисными. Для сравнения, в прототипе достоверность клонирования постоянна, но не превышает 0,83.5. Cloning in the proposed schemes is ideal, that is, the reliability of the process is single, for all necessary states, which are basic. For comparison, in the prototype, the reliability of cloning is constant, but does not exceed 0.83.

6. Наличие клона инжекционного фотона позволяет без серьезных модификаций реализовать схемы генерации как 3-, так и 4-фотонных состояний, что невозможно ни в одном из прототипов.6. The presence of a clone of the injection photon allows without serious modifications to realize the generation schemes of both 3- and 4-photon states, which is impossible in any of the prototypes.

7. Обмен перепутыванием между источниками также является специфичным для данного технического решения.7. The exchange of entanglement between sources is also specific to this technical solution.

6. ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ6. INDUSTRIAL APPLICABILITY

Заявляемые в предложенном техническом решении особенности схемы:Declared in the proposed technical solution features of the scheme:

1. возможность генерации 3- и 4-фотонных ГХЦ состояний и модифицированных ГХЦ состояний, и1. the possibility of generating 3- and 4-photon GHC states and modified GHC states, and

2. реализация обмена перепутыванием позволяют найти ей применение для решения разнообразных задач квантовой информатики, таких, например, как создание компактных высокоэффективных генераторов перепутанных состояний для квантовой коммуникации между несколькими абонентами.2. The implementation of the exchange of entanglement allows it to be used for solving various problems of quantum informatics, such as, for example, the creation of compact high-performance generators of entangled states for quantum communication between several subscribers.

7. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ7. USED MATERIALS

1. Д.Н. Клышко. Фотоны и нелинейная оптика. Гл. ред. Физ.-мат. лит. 1980.1. D.N. Little thing. Photons and nonlinear optics. Ch. ed. Phys.-mat. lit. 1980.

2. Д.Н. Клышко. Когерентный распад фотонов в нелинейной среде. Всесоюзное совещание по нелинейным свойствам сред, 1966.2. D.N. Little thing. Coherent photon decay in a nonlinear medium. All-Union Conference on the Nonlinear Properties of Media, 1966.

3. Д.Н. Клышко. Когерентный распад фотонов в нелинейной среде. Письма в ЖЭТФ, 6, 490-492 (1967).3. D.N. Little thing. Coherent photon decay in a nonlinear medium. Letters to JETP, 6, 490-492 (1967).

4. H.J. Kimble. The quantum internet. Nature, 453, 1023-1030 (2008).4. H.J. Kimble The quantum internet. Nature, 453, 1023-1030 (2008).

5. D.M. Greenberger, V.A. Horne, A. Shimony, A. Zeilinger. Bell`s theorem without inequalities. Am. J. Phys., 58, 1131-1143 (1990).5. D.M. Greenberger, V.A. Horne, A. Shimony, A. Zeilinger. Bell`s theorem without inequalities. Am. J. Phys., 58, 1131-1143 (1990).

6. C. Wang, F.G. Deng, G.L. long. Multi-step quantum secure direct communication using multi-particle Green-Horne-Zeilinger state. Opt. Comm., 253, 15-20 (2005).6. C. Wang, F.G. Deng, G.L. long Multi-step quantum secure direct communication using multi-particle Green-Horne-Zeilinger state. Opt. Comm., 253, 15-20 (2005).

7. J.-W. Pan, M. Daniell, S. Gasparoni, G. Weihs, A. Zeilinger. Experimental demonstration of four-photon entanglement and high-fidelity teleportation. Phys. Rev. Lett., 86, 20 (2001).7. J.-W. Pan, M. Daniell, S. Gasparoni, G. Weihs, A. Zeilinger. Experimental demonstration of four-photon entanglement and high-fidelity teleportation. Phys. Rev. Lett., 86, 20 (2001).

8. L.K. Shalm, D.R. Hamel, Z. Yan, C. Simon, K.J. Resch, T. Jennewein. Three-photon energy-time entanglement. Nat. Phys., 9, 19-22 (2013).8. L.K. Shalm, D.R. Hamel, Z. Yan, C. Simon, K.J. Resch, T. Jennewein. Three-photon energy-time entanglement. Nat. Phys., 9, 19-22 (2013).

9. H. Hübel, D.R. Hamel, Z. Yan, C. Simon, K.J. Resch, T. Jennewein. Direct generation of photon triplets using cascaded photon-pair sources. Nature, 466, 7306 (601-603 (2010).9. H. Hübel, D.R. Hamel, Z. Yan, C. Simon, K.J. Resch, T. Jennewein. Direct generation of photon triplets using cascaded photon-pair sources. Nature, 466, 7306 (601-603 (2010).

10. D.R. Hamel, L.K. Shalm, H. Hübel, A.J. Miller, F. Marsili,V.B. Verma,R.P.Mirin, S.M. Nam, K.J. Resch, T. Jennewein. Direct generation of three- photon polarization entanglement. Nat. Phot., 8, 10(801-807) (2014).10. D.R. Hamel, L.K. Shalm, H. Hübel, A.J. Miller, F. Marsili, V. B. Verma, R.P. Mirin, S.M. Nam, K.J. Resch, T. Jennewein. Direct generation of three-photon polarization entanglement. Nat. Phot., 8, 10 (801-807) (2014).

11. M.G. Moebius, F. Herrera, S. Griesse-Nascimento, O. Reshef, C.C. Evans, G.G. Guerreschi, A. Aspuru-Guzik, E. Mazur. Efficient photon triplet generation in integrated nanophotonic waveguides. Opt. Expr., 24, 9(9932-9954) (2016).11. M.G. Moebius, F. Herrera, S. Griesse-Nascimento, O. Reshef, C.C. Evans, G.G. Guerreschi, A. Aspuru-Guzik, E. Mazur. Efficient photon triplet generation in integrated nanophotonic waveguides. Opt. Expr., 24, 9 (9932-9954) (2016).

12. F. De Martini, V. Mussi, F. Bovino. Schroedinger cat states and optimum universal quantum cloning by entangled parametric amplification. Opt. Comm., 179, 581-589 (2000).12. F. De Martini, V. Mussi, F. Bovino. Schroedinger cat states and optimum universal quantum cloning by entangled parametric amplification. Opt. Comm., 179, 581-589 (2000).

13. C. Simon, G. Weigh, A. Zeilinger. An optimal quantum cloning via stimulated emission. Phys. Rev. lett., 84 13(2993) (2000).13. C. Simon, G. Weigh, A. Zeilinger. An optimal quantum cloning via stimulated emission. Phys. Rev. lett., 84 13 (2993) (2000).

14. F. De Martini, D. Pelliccia,F. Sciarrino. Contexial optimal and universal realizationof the quantum cloning machine and of the NOT gate. Phys. Rev. lett., 92 6(067901) (2004).14. F. De Martini, D. Pelliccia, F. Sciarrino. Contexial optimal and universal realizationof the quantum cloning machine and of the NOT gate. Phys. Rev. lett., 92 6 (067901) (2004).

15. V. Scarani, S. Iblisdir, N. Gisin, A. Acin. Quantum cloning. Rev. Modern Phys., 27, 1225-1256 (2005).15. V. Scarani, S. Iblisdir, N. Gisin, A. Acin. Quantum cloning. Rev. Modern Phys., 27, 1225-1256 (2005).

16. B. Schumacher. Quantum coding. Phys.Rev. A, 51 2738 (1995).16. B. Schumacher. Quantum coding. Phys. Rev. A, 51-2738 (1995).

17. А.А. Калачев. Спонтанное параметрическое рассеяние и задачи квантовой информатики: учебн. Метод. пособие. Казань: Казан. ун-т, 2012, 45 с.17. A.A. Kalachev. Spontaneous parametric scattering and problems of quantum informatics: textbook. Method. allowance. Kazan: Kazan. Univ., 2012, 45 pp.

18. P.G. Kwiat, P.H. Eberhard, A.G. White, US 6 424 665 B1, опубл. 23.07.2002. Ultra-bright source of polarization-entangled photons.18. P.G. Kwiat, P.H. Eberhard, A.G. White, US 6,424,665 B1, publ. 07/23/2002. Ultra-bright source of polarization-entangled photons.

19. M. Zukowski, A. Zeilinger, M. Horne, A. Ekert. “Event-ready-detectors” Bell experiment via entanglement swapping. Phys. Rev. Lett., 71, 26(4287-4290) (1993).19. M. Zukowski, A. Zeilinger, M. Horne, A. Ekert. “Event-ready-detectors” Bell experiment via entanglement swapping. Phys. Rev. Lett., 71, 26 (4287-4290) (1993).

20. J.-W. Pan, D. Bouwmeester, H. Weinfurter, A. Zeilinger. Experimental entanglement swapping: entangling photos that never interacted. Phys. Rev. Lett., 80, 18 (3891) (1998).20. J.-W. Pan, D. Bouwmeester, H. Weinfurter, A. Zeilinger. Experimental entanglement swapping: entangling photos that never interacted. Phys. Rev. Lett., 80, 18 (3891) (1998).

21. T.S. Humble, W.P. Grice. Effects of spectral entanglement in polarization- entanglement swapping and type-1 fusion gates. Phys. Rev. A, 77, 2(022312) (2008).21. T.S. Humble, W.P. Grice. Effects of spectral entanglement in polarization- entanglement swapping and type-1 fusion gates. Phys. Rev. A, 77, 2 (022312) (2008).

Claims

1. Generation scheme of modified 3-mode Greenberger-Horn-Zeilinger (GHC) states based on single-photon cloning with type 1 parametric amplification includes a pulsed laser with diagonally polarized radiation, divided by two beam splitter to simultaneously pump two optical parametric amplifiers orthogonally polarized components, which can be realized using dual nonlinear crystals, repolarized crystals, as well as interference systems eat; in one of the sources, the process of spontaneous parametric scattering (SPR) is excited with the formation of two orthogonally polarized (horizontally and vertically relative to each other) spatial modes with the maximum entangled Bell state of light

2. The scheme according to claim 1, characterized in that the presence of a two-photon state in one of the modes allows you to implement two possible generation schemes: 3- and 4-photon states of the GHC by additionally establishing a beam splitter at the output of the OPA in the spatial mode, which coincides with mode incident on the OPD from a crystal operating in the source mode of EPR pairs.

3. The circuit according to claim 2, characterized in that in this case the usual 4-photon state of the GHC is generated.

4. The circuit according to claim 2, characterized in that when a four-photon GCC state is reduced to a three-photon GCC state and a precursor photon when installing a diagonally oriented polarizer in one of the channels.

5. The circuit according to claim 1, characterized in that in single-mode cloning of a state using sources of type 1, the exchange of entanglement between sources is simultaneously realized.

6. The scheme according to claim 1, characterized in that the proposed scheme is easily scalable for the case of a large number of sources.