RU2783222C1 - Method for filtering photons from the residual radiation of coherent pumping - Google Patents
Method for filtering photons from the residual radiation of coherent pumping Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783222C1 RU2783222C1 RU2021139621A RU2021139621A RU2783222C1 RU 2783222 C1 RU2783222 C1 RU 2783222C1 RU 2021139621 A RU2021139621 A RU 2021139621A RU 2021139621 A RU2021139621 A RU 2021139621A RU 2783222 C1 RU2783222 C1 RU 2783222C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coherent
- interferometer
- photon
- photons
- signals
- Prior art date
Links
- 230000001427 coherent Effects 0.000 title claims abstract description 149
- 238000005086 pumping Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 238000001914 filtration Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 16
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 46
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 20
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 6
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000003068 static Effects 0.000 description 5
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 3
- 238000007648 laser printing Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000001902 propagating Effects 0.000 description 2
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к области квантовой оптики и квантовой информации, а именно к методам генерации оптических квантовых состояний электромагнитных полей. Изобретение может быть использовано в устройствах квантовых оптических вычислителей и симуляторов. Также изобретение может быть использовано в качестве элемента квантовых коммуникационных сетей, в том числе, в квантовых репитерах.The invention relates to the field of quantum optics and quantum information, namely to methods for generating optical quantum states of electromagnetic fields. The invention can be used in devices for quantum optical computers and simulators. The invention can also be used as an element of quantum communication networks, including quantum repeaters.
Уровень техникиState of the art
Источники фотонов используют в фундаментальных экспериментальных исследованиях и прикладных устройствах, осуществляющих обработку информации на основе квантовых алгоритмов. Квантовые состояния фотонов, которые генерируются такими источниками, являются носителями квантовой информации, которые преобразуют в случае использования в вычислительных квантовых алгоритмах или посылают между удаленными абонентами в случае использования в коммуникационных квантовых алгоритмах.Photon sources are used in fundamental experimental research and applied devices that process information based on quantum algorithms. The quantum states of photons that are generated by such sources are carriers of quantum information, which are converted if used in computational quantum algorithms or sent between remote subscribers if used in quantum communication algorithms.
Из уровня техники известны источники одиночных фотонов на основе квантовых точек (US9619754B2). В таких источниках возбужденная когерентным оптическим излучением квантовая точка излучает одиночный фотон в результате перехода из возбужденного в основное квантовое состояние. При этом центральная длина волны излучаемого фотона равна длине волны, соответствующей разности энергий между возбужденным и основным состоянием квантовой точки. Частотный спектр когерентного излучения, которое возбуждает квантовую точку, должен иметь компоненты с длинами волн равными или мéньшими, чем центральная длина волны перехода. При возбуждении точки часть энергии когерентного излучения поглощается точкой.The prior art sources of single photons based on quantum dots (US9619754B2). In such sources, a quantum dot excited by coherent optical radiation emits a single photon as a result of the transition from the excited to the ground quantum state. In this case, the central wavelength of the emitted photon is equal to the wavelength corresponding to the energy difference between the excited and ground states of the quantum dot. The frequency spectrum of the coherent radiation that excites the quantum dot must have components with wavelengths equal to or shorter than the central wavelength of the transition. When a point is excited, part of the energy of the coherent radiation is absorbed by the point.
Недостатком таких источников фотонов является наличие остаточного излучения когерентной накачки, которое распространяется вместе со сгенерированным в ней фотоном, что делает невозможным непосредственное использование таких источников при реализации квантовых информационных алгоритмов - когерентное излучение вносит шум, ошибки или вовсе выводит из строя квантовое устройство.The disadvantage of such photon sources is the presence of residual radiation of coherent pumping, which propagates along with the photon generated in it, which makes it impossible to directly use such sources in the implementation of quantum information algorithms - coherent radiation introduces noise, errors, or even disables the quantum device.
Из уровня техники известны источники пар одиночных фотонов, использующие нелинейно-оптические взаимодействия, раскрытые в работе S.Paesani et al., “Near-ideal spontaneous photon source in silicon quantum photonics” // Nature Communications 11, 2505 (2020). В таких источниках интенсивное когерентное излучение поступает в среду с кубической нелинейностью оптического отклика, где она приводит к рождению пар фотонов на длинах волн, лежащих ниже и выше длины волны когерентного излучения. Спектры генерируемых фотонов располагаются вблизи к длине волны когерентного излучения.Sources of pairs of single photons are known from the prior art, using nonlinear optical interactions, disclosed in the work of S. Paesani et al., “Near-ideal spontaneous photon source in silicon quantum photonics” // Nature Communications 11, 2505 (2020). In such sources, intense coherent radiation enters a medium with a cubic nonlinearity of the optical response, where it leads to the production of pairs of photons at wavelengths below and above the wavelength of coherent radiation. The spectra of generated photons are located close to the wavelength of coherent radiation.
Как и в случае с источниками одиночных фотонов на основе квантовых точек, недостатком таких источников фотонов является наличие остаточного излучения когерентной накачки, которое распространяется вместе со сгенерированным в ней фотоном, что делает невозможным непосредственное использование таких источников при реализации квантовых информационных алгоритмов.As in the case of single photon sources based on quantum dots, the disadvantage of such photon sources is the presence of residual coherent pump radiation, which propagates along with the photon generated in it, which makes it impossible to directly use such sources in the implementation of quantum information algorithms.
Из уровня техники известны способы фильтрации когерентного излучения от сгенерированных фотонов, раскрытые в работе T.Huber et al., “Filter-free single-photon quantum dot resonance fluorescence in an integrated cavity-waveguide device” // Optica, v.7, No 5, p. 380-385 (2020). Способ использует различие в поляризации когерентного излучения, используемого для возбуждения источников фотонов, от поляризации генерируемых фотонов. Когерентное излучение поступает на источник и выходит из него в направлении под углом к направлению, в которое генерируется фотон. Таким образом, способ позволяет отфильтровывать когерентное излучение от генерируемых фотонов даже в случаях, когда спектр длин волн когерентного излучения перекрывается со спектром генерируемых фотонов.The prior art methods for filtering coherent radiation from generated photons, disclosed in the work of T.Huber et al., “Filter-free single-photon quantum dot resonance fluorescence in an integrated cavity-waveguide device” // Optica, v.7, No. 5, p. 380-385 (2020) . The method uses the difference in the polarization of the coherent radiation used to excite photon sources from the polarization of the generated photons. Coherent radiation enters and exits the source in a direction at an angle to the direction in which the photon is generated. Thus, the method makes it possible to filter coherent radiation from generated photons even in cases where the wavelength spectrum of coherent radiation overlaps with the spectrum of generated photons.
Недостатком такого способа является неполяризованные состояния генерируемых фотонов, тогда как в реализациях квантовых информационных алгоритмов необходимо использовать фотоны с линейной поляризацией. Для получения линейно поляризованных фотонов из неполяризованных можно воспользоваться поляризатором, однако он приводит к потере как минимум половины генерируемых фотонов.The disadvantage of this method is the unpolarized states of the generated photons, while in the implementation of quantum information algorithms it is necessary to use photons with linear polarization. To obtain linearly polarized photons from unpolarized ones, a polarizer can be used, but it leads to the loss of at least half of the generated photons.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ фильтрации когерентного излучения от сгенерированных фотонных сигналов, раскрытый в изобретении “Interferometer filters with compensation structure” US2020/0371287 (2020). Такой способ использует различие длин волн возбуждающего когерентного излучения от длин волн генерируемых фотонов. Для фильтрации центральную длину волны резонанса пропускания двухканального интерферометра настраивают таким образом, чтобы он попадал в центральную длину волны генерируемых фотонов. При этом ширина резонанса интерферометра такова, что его спектральная линия не перекрывается со спектром когерентного излучения и поэтому интерферометр ее не пропускает. В результате на выходе можно получить сгенерированные фотоны без примеси когерентного излучения.The closest to the claimed technical solution is a method for filtering coherent radiation from generated photon signals, disclosed in the invention “Interferometer filters with compensation structure” US2020/0371287 (2020). This method uses the difference in the wavelengths of the exciting coherent radiation from the wavelengths of the generated photons. For filtering, the central wavelength of the transmission resonance of the two-channel interferometer is tuned so that it falls within the central wavelength of the generated photons. In this case, the resonance width of the interferometer is such that its spectral line does not overlap with the spectrum of coherent radiation and, therefore, the interferometer does not transmit it. As a result, the generated photons can be obtained at the output without the admixture of coherent radiation.
Недостатком такого способа фильтрации является внесение потерь в генерируемые фотонные сигналы, что приводит к снижению эффективности источников фотонов и, следовательно, к снижению эффективности работы квантового устройства, использующего эти источники. С приближением длин волн генерируемых фотонов к спектру накачки потери, вносимые фильтром, повышаются. Недостатком способа также является невозможность его использования в случаях, когда частотный спектр возбуждающего когерентного излучения перекрывается - как частично, так и полностью - со спектром генерируемых фотонов. Еще одним недостатком метода является необходимость использования отдельного фильтрующего интерферометра для каждого отдельного источника, что усложняет и укрупняет оптические схемы. Кроме того, недостатком является необходимость подстраивать центральную длину волны резонанса каждого интерферометра индивидуально для каждого источника фотонов, что также усложняет калибровку и управление схемой.The disadvantage of this filtering method is the introduction of losses into the generated photon signals, which leads to a decrease in the efficiency of photon sources and, consequently, to a decrease in the efficiency of the quantum device using these sources. As the wavelengths of the generated photons approach the pump spectrum, the losses introduced by the filter increase. The disadvantage of this method is also the impossibility of its use in cases where the frequency spectrum of the exciting coherent radiation overlaps - both partially and completely - with the spectrum of the generated photons. Another disadvantage of the method is the need to use a separate filtering interferometer for each individual source, which complicates and enlarges the optical schemes. In addition, the disadvantage is the need to adjust the central resonance wavelength of each interferometer individually for each photon source, which also complicates the calibration and control of the circuit.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, являются высокие потери, вносимые элементами, фильтрующими остаточное когерентное излучение от генерируемых фотонов. Также решаемой технической проблемой является невозможность фильтрации известными способами в случае, когда поляризация, пространственная мода и временной интервал когерентного возбуждающего импульса совпадают с соответствующими параметрами генерируемых фотонов и при этом их спектры длин волн перекрываются. Вместе с тем, данный резонансный режим возбуждения представляется наиболее оптимальным с точки зрения качества квантовых свойств фотонов, получаемых в некоторых широко применяемых источниках, например, на основе квантовых точек. Невозможность выполнения резонансного возбуждения без внесения существенных потерь препятствует повышению эффективности квантовых устройств, использующих источники такого типа, или же вовсе делают невозможным реализацию масштабных квантовых алгоритмов. Еще одной решаемой технической проблемой является сложность оптических схем, состоящих из множества источников фотонов, которая обусловлена необходимостью использования отдельного фильтрующего устройства/элемента для каждого источника. Фильтрующие элементы увеличивают размеры и часто требуют индивидуальной активной подстройки.The technical problem solved by the claimed invention is the high losses introduced by the elements that filter the residual coherent radiation from the generated photons. Also, a technical problem to be solved is the impossibility of filtering by known methods in the case when the polarization, spatial mode and time interval of the coherent excitation pulse coincide with the corresponding parameters of the generated photons and their wavelength spectra overlap. At the same time, this resonant excitation mode seems to be the most optimal in terms of the quality of the quantum properties of photons obtained in some widely used sources, for example, based on quantum dots. The impossibility of performing resonant excitation without introducing significant losses hinders an increase in the efficiency of quantum devices using sources of this type, or even makes it impossible to implement large-scale quantum algorithms. Another technical problem to be solved is the complexity of optical circuits consisting of multiple photon sources, which is due to the need to use a separate filter device/element for each source. Filter elements increase in size and often require individual active adjustment.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технические результатом изобретения является повышение эффективности источников фотонов, использующих для возбуждения когерентное оптическое излучение. Эффективность увеличивается за счет снижения потерь, вносимых традиционными способами фильтрации когерентного излучения. Еще одним техническим результатом изобретения является возможность выполнения фильтрации когерентного излучения от фотонов, генерируемых множеством источников, одним устройством, что упрощает его подстройку. Также техническим результатом изобретения является возможность выполнения фильтрации когерентного излучения при резонансном способе возбуждения источников одиночных фотонов, когда поляризация этого излучения совпадает с поляризацией генерируемых фотонов, а их спектры длин волн перекрываются.The technical result of the invention is to increase the efficiency of photon sources that use coherent optical radiation for excitation. Efficiency is increased by reducing the losses introduced by traditional methods of filtering coherent radiation. Another technical result of the invention is the possibility of filtering coherent radiation from photons generated by multiple sources with one device, which simplifies its adjustment. Also, the technical result of the invention is the possibility of filtering coherent radiation in the resonant method of excitation of sources of single photons, when the polarization of this radiation coincides with the polarization of the generated photons, and their wavelength spectra overlap.
Технический результат достигается способом фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающим подачу на M входов N-канального интерферометра, характеризующегося передаточной матрицей U размером N на N, сгенерированных фотонов от M источников фотонов с остаточными сигналами когерентной накачки, по меньшей мере, от одного источника лазерного излучения, при этом сигналы когерентной накачки от лазерных источников при использовании непрерывного режима формируют с одинаковым частотным спектром и одинаковой поляризацией, а при использовании импульсного режима формируют импульсы когерентной накачки одинаковой формы поляризации с совпадающими центральными частотами их спектра, которые подают на N-канальный интерферометр синхронно; передаточная матрица U выполнена с возможностью фокусировки входных сигналов когерентной накачки, включая остаточные сигналы когерентной накачки от источников фотонов, по меньшей мере, в один выход, и вывода части фотонов от источников фотонов в оставшиеся выходы.The technical result is achieved by a pump filtering method for sources of quantum states, including the supply to M inputs of an N-channel interferometer, characterized by a transfer matrix U of size N by N, generated photons from M photon sources with residual coherent pumping signals from at least one laser source. radiation, while coherent pumping signals from laser sources when using the continuous mode are formed with the same frequency spectrum and the same polarization, and when using the pulsed mode, coherent pumping pulses of the same polarization shape are formed with the same center frequencies of their spectrum, which are fed to the N-channel interferometer synchronously ; the transfer matrix U is configured to focus input coherent pump signals, including residual coherent pump signals from photon sources, to at least one output, and output a portion of photons from photon sources to the remaining outputs.
В одном из вариантов реализации способа дополнительно осуществляют подачу, по меньшей мере, на один из оставшихся входов N-канального интерферометра сигнала когерентной накачки, по меньшей мере, от одного источника лазерного излучения, при этом при использовании импульсного режима импульсы когерентной накачки подают на N-канальный интерферометр синхронно, включая остаточные импульсы когерентной накачки от источников фотонов.In one of the embodiments of the method, at least one of the remaining inputs of the N-channel interferometer is additionally supplied with a coherent pump signal from at least one laser radiation source, while using the pulsed mode, coherent pump pulses are fed to the N- channel interferometer synchronously, including residual pulses of coherent pumping from photon sources.
Передаточная матрица U выполнена таким образом, что умножение вектора амплитуд сигналов когерентной накачки, поступающих на вход N-канального интерферометра, включая остаточные сигналы накачки от источников фотонов, на передаточную матрицу U дает заданный вектор амплитуд , который содержит ненулевые элементы с индексами, соответствующими каналам, в которые осуществляется фокусировка когерентной накачки, а остальные элементы вектора - нулевые: The transfer matrix U is designed in such a way that the multiplication of the amplitude vector of coherent pump signals coming to the input of the N-channel interferometer, including the residual pump signals from photon sources, to the transfer matrix U gives a given amplitude vector , which contains nonzero elements with indices corresponding to the channels into which coherent pumping is focused, and the remaining elements of the vector - null:
Фокусировку сигнала когерентной накачки осуществляют в подмножество выходов, состоящее из K выходов N-канального интерферометра, посредством варьирования элементов сдвигов фаз до достижения максимума мощности, измеряемой в этом подмножестве выходов. В другом варианте осуществления изобретения фокусировку когерентной накачки проводят посредством варьирования параметров делителей, входящий в состав N-канального интерферометра, или варьированием амплитуд когерентных накачек на входе в N-канальный интерферометр.The coherent pump signal is focused into a subset of outputs, consisting of K outputs of an N-channel interferometer, by varying the phase shift elements until the maximum power measured in this subset of outputs is reached. In another embodiment of the invention, coherent pumping is focused by varying the parameters of the dividers included in the N-channel interferometer, or by varying the coherent pump amplitudes at the input to the N-channel interferometer.
Возможен вариант осуществления изобретения, согласно которому выходные сигналы от источников фотонов, прошедшие через N-канальный интерферометр и содержащие фотоны от источников фотонов, подвергают преобразованию вторым интерферометром с количеством входов и выходов не менее, чем количество выходов первого интерферометра, содержащих фотоны от источников фотонов.An embodiment of the invention is possible, according to which the output signals from photon sources that have passed through the N-channel interferometer and contain photons from photon sources are subjected to conversion by the second interferometer with the number of inputs and outputs not less than the number of outputs of the first interferometer containing photons from photon sources.
Способ может быть реализован с помощью системы для фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающей, по меньшей мере, источник лазерного излучения, по меньше мере, один источник фотонов, по меньшей мере, один N-канальный интерферометр, выполненный с возможностью фильтрации полученных сигналов от источников фотонов, прошедших первый интерферометр, от остаточных сигналов когерентной накачки описанным выше способом, и детекторы, установленные на выходах N-канального интерферометра, при этом количество детекторов соответствует количеству выходов K, в которые осуществляют фокусировку когерентной накачки.The method can be implemented using a pump filtering system for quantum state sources, including at least a laser radiation source, at least one photon source, at least one N-channel interferometer configured to filter received signals from photon sources that have passed the first interferometer from residual coherent pumping signals as described above, and detectors installed at the outputs of the N-channel interferometer, the number of detectors corresponding to the number of outputs K, into which the coherent pumping is focused.
Генерация одиночных фотонов в источниках с возбуждением лазерной накачкой связана с необходимостью фильтрации накачки, которая остается после возбуждения. Остаточная когерентная накачка распространяется вместе со сгенерированными фотонами и, в отсутствии фильтрации, работа квантовых устройств, реализующих квантовые методы обработки и передачи информации, невозможна. Для фильтрации остаточной накачки на выходе из источников фотонов вносят частотные или поляризационные фильтры, которые используют отличие частотного спектра или поляризации накачки от спектра или поляризации генерируемых фотонов. Фильтры такого типа не пропускают накачку, однако они вносят потери в сгенерированные фотоны. При этом, чем ближе частоты из спектра фотонов к спектру остаточной накачки, тем сложнее отфильтровать накачку от полезных сигналов фотонов без внесения существенных потерь.The generation of single photons in sources with excitation by laser pumping is associated with the need to filter the pump that remains after excitation. The residual coherent pump propagates along with the generated photons and, in the absence of filtering, the operation of quantum devices that implement quantum methods for processing and transmitting information is impossible. To filter residual pumping at the output of photon sources, frequency or polarization filters are introduced, which use the difference in the frequency spectrum or polarization of the pump from the spectrum or polarization of the generated photons. Filters of this type do not pass the pump, but they introduce losses into the generated photons. In this case, the closer the frequencies from the photon spectrum are to the residual pumping spectrum, the more difficult it is to filter the pumping from useful photon signals without introducing significant losses.
Предлагаемое изобретение не использует традиционный подход с частотными или поляризационными фильтрами. Изобретение использует отличие в преобразовании, выполняемом многоканальным интерферометром, над множеством сигналов в когерентных состояниях накачки и генерируемыми фотонами в фоковских состояниях. Таким образом, в схеме нет необходимости в использовании традиционных фильтров.The present invention does not use the traditional approach with frequency or polarization filters. The invention exploits the difference in the conversion performed by a multichannel interferometer on a plurality of signals in coherent pump states and generated photons in Fock states. Thus, there is no need to use traditional filters in the circuit.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема, поясняющая принцип заявляемого изобретения. Фиг. 1а иллюстрирует процесс генерации фотонов с возбуждением когерентной накачкой. На фиг. 1б представлена предложенная схема фильтрации когерентной накачки от сгенерированных фотонных сигналов.The invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 is a diagram illustrating the principle of the claimed invention. Fig. 1a illustrates the process of photon generation with excitation by coherent pumping. In FIG. Figure 1b shows the proposed scheme for filtering coherent pumping from generated photon signals.
На фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ фильтрации накачки с двумя последовательно соединенными многоканальными интерферометрами.In FIG. Figure 2 shows a diagram illustrating the proposed pump filtering method with two multichannel interferometers connected in series.
На фиг. 3 представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ фильтрации накачки с двумя последовательно соединенными многоканальными интерферометрами и одним источником фотонов.In FIG. Figure 3 shows a diagram illustrating the proposed pump filtering method with two serially connected multichannel interferometers and one photon source.
На фиг. 4 представлена схема, иллюстрирующая простейший пример реализации предложенного способа фильтрации когерентной накачки.In FIG. Figure 4 shows a diagram illustrating the simplest example of the implementation of the proposed method for filtering coherent pumping.
На фиг. 5 изображена схема фильтрации когерентной накачки с применением каскада последовательно соединенных интерферометров.In FIG. Figure 5 shows a scheme for filtering coherent pumping using a cascade of series-connected interferometers.
На фиг. 6 представлены диаграммы, иллюстрирующие соотношение между частотами когерентной накачки и частотой(-ами) генерируемых фотонов для разных типов источников.In FIG. 6 are diagrams illustrating the relationship between the coherent pumping frequencies and the frequency(s) of generated photons for different types of sources.
На фиг. 7 изображена оптическая схема многоканального интерферометра, реализованная в примере конкретной реализации заявляемого изобретения.In FIG. 7 shows the optical scheme of a multichannel interferometer implemented in an example of a specific implementation of the claimed invention.
На фиг. 8 изображена схема двухканального программируемого блока интерферометра Маха-Цендера, использованная в качестве составного блока 5-канального интерферометра в примере конкретной реализации заявляемого изобретения.In FIG. 8 shows a diagram of a two-channel programmable block of the Mach-Zehnder interferometer used as a component block of a 5-channel interferometer in an example of a specific implementation of the claimed invention.
На фиг. 9 изображена схема оптической установки, использованная в примере конкретной реализации заявляемого изобретения.In FIG. 9 shows a diagram of an optical setup used in an example of a specific implementation of the claimed invention.
Позициями на чертежах обозначены:Positions in the drawings indicate:
1 - источник фотонов,1 - photon source,
2 - импульс когерентной накачки,2 - coherent pump pulse,
3 - импульс сгенерированного фотона или фотонов,3 - momentum of the generated photon or photons,
4 - импульс остаточной когерентной накачки,4 - pulse of residual coherent pumping,
5 - многоканальный интерферометр,5 - multichannel interferometer,
6 - множество источников фотонов,6 - many sources of photons,
7 - множество импульсов когерентной накачки,7 - set of pulses of coherent pumping,
8 - множество фотонов, сгенерированных источниками, и множество импульсов остаточной когерентной накачки,8 - a set of photons generated by sources, and a set of pulses of residual coherent pumping,
9 - множество входов многоканального интерферометра 5,9 - many inputs of the
10 - множество выходов многоканального интерферометра 5,10 - multiple outputs of the
11 - канал, в который выполняют фокусирование остаточной когерентной накачки,11 - channel into which the residual coherent pumping is focused,
12 - импульс остаточной когерентной накачки,12 - pulse of residual coherent pumping,
13 - множество выходов, в которые выводятся фотоны,13 - a set of outputs into which photons are output,
14 - состояние фотонов,14 - state of photons,
15 - многоканальный интерферометр, следующий за первым многоканальным интерферометром 5,15 - multichannel interferometer following the first
16 - множество входов интерферометра 15,16 - many inputs of the
17 - множество входов интерферометра 15, на которые поступает состояние фотонов 14, сгенерированное в интерферометре 5,17 - set of inputs of the
18 - множество выходов интерферометра 15,18 - many outputs of the
19 - множество каналов, в которое осуществляется вывод фотонов после интерферометра 15,19 - a set of channels into which photons are output after the
20 - состояние выведенных фотонов на выходах интерферометра 5, которое поступает на входы в интерферометр 15,20 - the state of the extracted photons at the outputs of the
21 - остаточная когерентная накачка на выходе 11 многоканального интерферометра 5 в схеме каскада из нескольких последовательно связанных интерферометров,21 - residual coherent pumping at
22 - выход интерферометра 15, в который осуществляется фокусировка остаточной накачки,22 - output of the
23 - импульс остаточной когерентной накачки, выходящий из выхода 22 интерферометра 15,23 - residual coherent pump pulse coming out of the output 22 of the
24 - двухканальный делитель,24 - two-channel divider,
25 - входы делителя 24,25 -
26 - выходы делителя 24,26 -
27 - состояние на выходах делителя 24 в случае двух фотонов на его входе,27 - state at the outputs of the
28 - состояние на выходах делителя 24 в случае одного фотона на его входе,28 - state at the outputs of the
29 - частота накачки для источника фотонов на основе нелинейных сред с квадратичной нелинейностью, генерирующего пары фотонов на частотах 30 и 31,29 - pumping frequency for a photon source based on nonlinear media with quadratic nonlinearity, generating pairs of photons at frequencies of 30 and 31,
32 и 33 - частоты когерентных накачек в случае источников фотонов на основе нелинейных сред с кубической нелинейностью, генерирующих пары фотонов на частотах 30 и 31,32 and 33 - frequencies of coherent pumping in the case of photon sources based on nonlinear media with cubic nonlinearity generating pairs of photons at frequencies of 30 and 31,
34 - частота когерентной накачки для источника на основе квантового эмиттера,34 - frequency of coherent pumping for a source based on a quantum emitter,
35 - частота генерируемых фотонов в случае источника на основе квантового эмиттера,35 is the frequency of generated photons in the case of a source based on a quantum emitter,
36 - двухканальный программируемый блок в составе многоканального интерферометра,36 - two-channel programmable unit as part of a multi-channel interferometer,
37 - когерентные сигналы накачки, подаваемые на входы 5-канального программируемого интерферометра, использованного в конкретной технической реализации изобретения,37 - coherent pump signals applied to the inputs of a 5-channel programmable interferometer used in a specific technical implementation of the invention,
38 - сигнал сфокусированной мощности в один выходной канал 5-канального программируемого интерферометра, использованного в конкретной технической реализации изобретения,38 - focused power signal into one output channel of a 5-channel programmable interferometer used in a specific technical implementation of the invention,
39 - статические сбалансированные делители в составе двухканальных программируемых блоков 36,39 - static balanced dividers as part of two-channel
40 - варьируемые элементы сдвигов фаз в составе двухканальных программируемых блоков 36,40 - variable elements of phase shifts as part of two-channel
41 - интегрально-оптический элемент направленного делителя, реализующего статический сбалансированный делитель,41 - integral optical element of a directional divider that implements a static balanced divider,
42 - варьируемый элемент сдвига фазы,42 - variable phase shift element,
43 - лазер, генерирующий когерентную накачку,43 - laser generating coherent pumping,
44 - разветвитель мощности лазерного излучения 43,44 -
45 - источник одиночных фотонов на основе квантовой точки,45 - source of single photons based on a quantum dot,
46 - программируемый 5-канальный интерферометр,46 - programmable 5-channel interferometer,
47 - детектор оптического излучения, способный регистрировать интенсивные когерентные сигналы лазера,47 - optical radiation detector capable of detecting intense coherent laser signals,
48 - сверхпроводниковые детекторы одиночных фотонов,48 - superconducting detectors of single photons,
49 - компьютер, управляющий преобразованием 5-канального интерферометра,49 - computer that controls the conversion of a 5-channel interferometer,
50 - электрические линии, через которые компьютер 49 управляет интерферометром 46,50 - electrical lines through which the
51 - электрические линии, через которые сигналы с детекторов одиночных фотонов 48 поступают на компьютер 49,51 - electrical lines through which the signals from the detectors of
52 - область сближения 5-ти волноводов в интегрально-оптическом чипе разветвителя мощности,52 - area of convergence of 5 waveguides in the integrated optical chip of the power splitter,
53 - волновод, через который заводилось излучение от лазера 43.53 - waveguide, through which the radiation from the
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Изобретение основано на использовании источников фотонов, возбуждаемых когерентным оптическим излучением.The invention is based on the use of photon sources excited by coherent optical radiation.
Для более однозначного понимания сущности заявленного изобретения ниже представлены основные термины и определения, используемые в рамках настоящего описания.For a more unambiguous understanding of the essence of the claimed invention, the main terms and definitions used in the present description are presented below.
Источником фотонов или просто источником называется элемент или устройство, которое генерирует электромагнитные сигналы, описываемые квантовыми состояниями с одним определенным числом фотонов или суперпозицией конечного числа состояний, каждое из которых имеет определенное число фотонов. В изобретении идет речь об источниках, возбуждаемых когерентным оптическим излучением, которое обычно генерируют лазеры. Источники фотонов имеют два стационарных уровня энергии, описывающие стационарные состояния электронов или дырок. Переход из верхнего (излучающего) состояния в нижнее (основное) сопровождается, в зависимости от типа источника, генерацией одного или одновременно нескольких фотонов. Для возбуждения источника его облучают когерентным излучением, например, от лазера. Когерентное излучение, используемое для возбуждения источников фотонов, может быть импульсным или непрерывным.A photon source or simply a source is an element or device that generates electromagnetic signals described by quantum states with one certain number of photons or a superposition of a finite number of states, each of which has a certain number of photons. The invention concerns sources excited by coherent optical radiation, which is usually generated by lasers. Photon sources have two stationary energy levels that describe the stationary states of electrons or holes. The transition from the upper ( radiating ) state to the lower ( ground ) state is accompanied, depending on the type of source, by the generation of one or several photons simultaneously. To excite the source, it is irradiated with coherent radiation, for example, from a laser. Coherent radiation used to excite photon sources can be pulsed or continuous.
В случае резонансного возбуждения центральная длина волны излучения равна центральной длине волны излучаемого фотона, которая соответствует разнице между энергиями излучающего и основного состояний источника. В случае нерезонансного возбуждения центральная длина волны спектра возбуждающего излучения отличается от центральной длины волны спектра излучаемого фотона. При нерезонансном возбуждении может быть использован вспомогательный уровень/уровни, которые имеют бóльшую энергию, чем у излучающего. В таком случае возбуждают вспомогательный уровень, возбужденное состояние с которого впоследствии переходит на излучающий уровень, с которого происходит генерация фотона. Уровни энергии с энергиями выше, чем у основного, могут быть не стационарными, а виртуальными.In the case of resonant excitation, the central wavelength of radiation is equal to the central wavelength of the emitted photon, which corresponds to the difference between the energies of the emitting and ground states of the source. In the case of nonresonant excitation, the central wavelength of the spectrum of the exciting radiation differs from the central wavelength of the spectrum of the emitted photon. With non-resonant excitation, an auxiliary level/levels can be used that have more energy than the radiating one. In this case, an auxiliary level is excited, the excited state from which subsequently passes to the emitting level, from which the photon is generated. Energy levels with energies higher than those of the main one may not be stationary, but virtual.
Когерентной накачкой или просто накачкой называется когерентное электромагнитное поле, которое используют для возбуждения источника с целью генерации им фотона или фотонов. В изобретении речь идет о накачке, характеризуемой когерентным состоянием. Свойства электромагнитных состояний в когерентном состоянии и в состоянии с определенным числом фотонов отличаются - действие одного и того же преобразователя электромагнитных сигналов на сигналы, приготовленные в двух состояниях, отличается. Coherent pumping or simply pumping is a coherent electromagnetic field that is used to excite a source to generate a photon or photons. The invention concerns pumping characterized by a coherent state. The properties of electromagnetic states in a coherent state and in a state with a certain number of photons are different - the effect of the same electromagnetic signal converter on signals prepared in two states is different.
В изобретении рассматриваются преобразователи электромагнитных сигналов. Преобразуемые сигналы подаются на входные каналы преобразователя, а преобразованные сигналы выходят из выходных каналов преобразователя. Способ кодирования информации в каналы задается преобразователем. Каждый входной канал преобразователя характеризуется набором значений степеней свободы электромагнитного поля, которыми должны обладать входные сигналы, поступающие на его вход. Два электромагнитных сигнала, отличающиеся тем, что соответствующие наборы степеней свободы отличаются как минимум в одном значении, можно генерировать и измерять независимо друг от друга. Чтобы иметь возможность подавать сигналы на вход преобразователя независимо друг от друга, в наборах значений степеней свободы, соответствующих множеству входных каналов, не должно быть совпадений.The invention deals with electromagnetic signal converters. The converted signals are fed into the input channels of the transducer , and the converted signals are output from the output channels of the transducer . The method of encoding information into channels is set by the converter. Each input channel of the transducer is characterized by a set of values of the degrees of freedom of the electromagnetic field, which must have the input signals coming to its input. Two electromagnetic signals, characterized in that the corresponding sets of degrees of freedom differ in at least one value, can be generated and measured independently of each other. In order to be able to feed signals to the input of the transducer independently of each other, the sets of degrees of freedom values corresponding to the set of input channels must not have coincidences.
В качестве степеней свободы электромагнитного поля используют пространственные моды, частотные моды, временные моды и поляризационные моды. Два разных канала преобразователя характеризуются двумя разными наборами степеней свободы поля, которые должны отличаться как минимум одним значением. Например, при пространственном кодировании каналов сигналы на входе и выходе преобразователя должны входить/выходить в разные пространственные моды.Spatial modes, frequency modes, temporal modes and polarization modes are used as the degrees of freedom of the electromagnetic field. Two different transducer channels are characterized by two different sets of field degrees of freedom, which must differ by at least one value. For example, when spatially encoding channels, the signals at the input and output of the converter must enter/exit in different spatial modes.
Линейным N-канальным преобразованием называют преобразование электромагнитных сигналов, осуществляемое между N каналами, действие которого на когерентные сигналы можно описать линейным законом: Linear N-channel conversion is the conversion of electromagnetic signals between N channels, the effect of which on coherent signals can be described by a linear law:
где - число каналов преобразования, - комплексные амплитуды когерентных сигналов, поступающие на вход преобразования, - комплексные амплитуды преобразованных сигналов на выходе преобразования. Здесь индексы и принимают значения от 1 до и обозначают номера канала, к которым относятся амплитуды. В (1) комплексные коэффициенты формируют матрицу размерности , которая и определяет конкретное линейное преобразование. Выражение (1) может быть представлено в матричном виде: where - number of conversion channels, - complex amplitudes of coherent signals arriving at the input of the transformation, - complex amplitudes of the converted signals at the conversion output. Here the indices and take values from 1 to and denote the channel numbers to which the amplitudes belong. In (1) complex coefficients form a matrix dimensions , which defines a specific linear transformation. Expression (1) can be represented in matrix form:
где и - столбцы, составленные из амплитуд сигналов на входе и выходе преобразования, соответственно. Число каналов преобразования характеризует размерность преобразования.where and - columns composed of the amplitudes of the signals at the input and output of the transformation, respectively. Number of conversion channels characterizes the dimension of the transformation.
Передаточной матрицей преобразования или просто матрицей преобразования называют матрицу , которая связывает друг с другом столбец амплитуд на выходе преобразования со столбцом на его входе (см. выражение (2)). The transformation transfer matrix or simply the transformation matrix is called the matrix , which relates to each other the amplitude column at the output of the transformation with the column at its input (see expression ( 2 )).
N-канальным линейным преобразователем или линейным N-канальным устройством или линейным N-канальным интерферометром или просто интерферометром называют любое устройство, осуществляющее линейное N-канальное преобразование электромагнитных сигналов. N-канальный преобразователь имеет по N входных и выходных каналов. An N-channel linear converter or a linear N-channel device or a linear N-channel interferometer or simply an interferometer is any device that performs a linear N-channel conversion of electromagnetic signals. An N-channel converter has N input and N output channels.
Многоканальным интерферометром называют N-канальный интерферометр с N>=3. A multichannel interferometer is an N-channel interferometer with N>=3.
Под фокусировкой когерентной накачки в настоящем изобретении понимают настройку передаточной матрицы многоканального интерферометра таким образом, что мощность когерентной накачки, поступающая на его входы, выходит из подмножества его выходов. Таким образом, фотоны, выходящие из оставшихся выходов многоканального интерферометра, не содержат примеси когерентных состояний накачки.By focusing coherent pumping in the present invention is meant tuning the transfer matrix of a multichannel interferometer in such a way that the coherent pumping power supplied to its inputs comes out of a subset of its outputs. Thus, the photons emerging from the remaining outputs of the multichannel interferometer do not contain an admixture of coherent pump states.
На Фиг. 1 представлена схема, поясняющая настоящее изобретение. Фиг. 1а схематично иллюстрирует процесс генерации квантовых состояний фотонов источником фотонов с возбуждением когерентной накачкой. В нем на источник фотонов 1 поступает импульс накачки с временным профилем 2, который возбуждает источник. Возбужденный источник излучает световой импульс с профилем 3, который отличается от когерентной накачки тем, что его квантовое состояние в общем случае представляет собой только одну компоненту с определенным числом фотонов или суперпозицию конечного числа состояний с определенным числом фотонов. Например, в зависимости от типа источника, генерируется либо одиночный фотон , либо же состояние бифотонов . Т.к. на возбуждение источника в общем случае расходуется не вся энергия накачки, после взаимодействия с источником остается когерентный импульс с временным профилем 4.On FIG. 1 is a diagram illustrating the present invention. Fig. 1a schematically illustrates the generation of photon quantum states by a photon source with coherent pumping. In it, a pump pulse with a
На Фиг. 1б представлена предложенная схема фильтрации когерентной накачки от сгенерированных фотонных сигналов. В схеме одновременно генерируется несколько фотонов, для чего используют одновременно несколько источников фотонов. Интерферометр 5 используют для преобразования когерентных накачек и сгенерированных сигналов. Множество источников фотонов 6 одновременно возбуждаются когерентными импульсами накачки 7, в результате чего они генерируют сигналы в однофотонных или бифотонных состояниях или других состояниях фотонов, которые отличаются от когерентных (в зависимости от типа источников). Сгенерированные в источниках импульсы вместе с импульсами остаточной накачки поступают на часть входов интерферометра 5. После возбуждения источников остаточные импульсы накачки и синхронные с ними импульсы когерентных сигналов 8 поступают на входы 9 интерферометра 5. Вместе с когерентным излучением на вход интерферометра 5 поступают также и сгенерированные фотоны.On FIG. Figure 1b shows the proposed scheme for filtering coherent pumping from generated photon signals. Several photons are simultaneously generated in the scheme, for which several photon sources are used simultaneously. The
Интерферометр выполняет преобразование импульсов когерентной накачки и сгенерированных фотонных состояний. В качестве конкретного преобразования интерферометра 5 выбирают такое, в результате которого полная мощность когерентной накачки, поступающей на все входные каналы интерферометра, фокусируется в подмножество множества выходных каналов 10. Без ограничения общности описание рабочего принципа настоящего изобретения будем предполагать, что интерферометр 5 фокусирует накачку в один выходной канал. На Фиг. 1б фокусирующим является первый верхний канал 11 с выходящим из него временным профилем накачки 12. По причине принципиальных отличий преобразования, выполняемого одним устройством интерферометра над когерентными входными сигналами и над состояниями генерируемых фотонов, последние не будут полностью фокусироваться в канал 11. Кроме отличия квантовых состояний когерентной накачки и фотонов, накачка может подаваться в каналы, на которые не поступают фотоны от источников. По этим причинам имеется значительная вероятность получения генерируемых фотонных сигналов в выходах 13, в которые накачка не проходит. Т.е., преобразованные сигналы 14, выходящие из каналов 13, не зашумлены когерентной накачкой 12.The interferometer converts the coherent pump pulses and the generated photon states. As a specific transformation of the
На Фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ фильтрации накачки, которая дополнена еще одним интерферометром 15. Интерферометр 15 выполняет преобразование отфильтрованных состояний фотонов после интерферометра 5. Интерферометр 15 имеет множество входных каналов 16, на часть которых 17 поступают отфильтрованные сигналы 14. Интерферометр 15 осуществляет преобразование состояния фотонных сигналов 14, в результате которого на его выходах 18 фотонные сигналы преобразуются в вид, который может быть более удобным для дальнейших применений. В частности, фотоны после интерферометра 15 могут быть локализованы только в подмножестве 19 множества выходных каналов 18, которое состоит из меньшего числа каналов, чем изначальное множество каналов 13, состояния с которых выходят после фильтрующего интерферометра 5.On FIG. 2 shows a diagram illustrating the proposed pump filtering method, which is supplemented by another
Работоспособность предложенной схемы определяется возможностью фокусировки когерентных сигналов в один или подмножество каналов без остаточного преобразования в каналы 13, которые используют для получения отфильтрованных состояний фотонов. Известно, что для любой конфигурации амплитуд когерентных сигналов на входе в интерферометр всегда можно подобрать передаточную матрицу интерферометра, которая будет выполнять фокусирующее действие. Так, если амплитуды когерентных импульсов накачки на входе в интерферометр характеризуются столбцом комплексных чисел , где - комплексная амплитуда сигнала на входе в интерферометр с индексом , а означает транспонирование, то амплитуды когерентных сигналов на выходе из интерферометра задаются столбцом . Для заданных амплитуд накачки на входе (включающих как остаточные, так и дополнительные импульсы накачки) передаточная матрица интерферометра , выполняющая фокусировку накачки в один выходной канал, например, с индексом , получается решением уравнения:The performance of the proposed scheme is determined by the possibility of focusing coherent signals into one or a subset of channels without residual conversion into
где столбец имеет только один ненулевой элемент с индексом m. Уравнение (3) всегда имеет решение для передаточной матрицы . Таким образом, многоканальный интерферометр всегда можно настроить на фокусировку когерентных сигналов.where is the column has only one nonzero element with index m. Equation (3) always has a solution for the transfer matrix . Thus, a multichannel interferometer can always be tuned to focus coherent signals.
Далее представлено несколько примеров, более детально поясняющих предлагаемый способ. Для одного источника фотонов и N-канального фокусирующего интерферометра рассмотрим случай, когда профили частотных спектров и поляризации входных импульсов накачки совпадают, и они поступают на интерферометр синхронно, и амплитуды всех импульсов накачки одинаковые: (). В данном случае фокусировка всей мощности накачки в один выходной канал возможна, если передаточная матрица интерферометра имеет следующие элементы:The following are some examples that explain the proposed method in more detail. For one photon source and an N-channel focusing interferometer, we consider the case when the profiles of the frequency spectra and polarization of the input pump pulses coincide, and they arrive at the interferometer synchronously, and the amplitudes of all pump pulses are the same: ( ). In this case, focusing the entire pump power into one output channel is possible if the interferometer transfer matrix has the following elements:
(, ) - это известная матрица, выполняющая дискретное преобразование Фурье (S.A. Fldzhyan, M.Yu. Saygin, S.P. Kulik, “Optimal design of error-tolerant reprogrammable multiport interferometers” Optics Letters v. 45, No 9, p. 2632-2635 (2020)). Используя линейное преобразование , можно рассчитать амплитуду на выходе 1-го канала интерферометра: , тогда как на остальных выходных каналах (), подтверждая тем самым возможность фокусировки накачки. Таким образом, в этом примере, мощность накачки, поступающей на все входные каналы интерферометра с передаточной матрицей , выходит из одного выходного канала.( , ) is a well-known matrix that performs a discrete Fourier transform (SA Fldzhyan, M.Yu. Saygin, SP Kulik, “Optimal design of error-tolerant reprogrammable multiport interferometers” Optics Letters v. 45,
Распределение сгенерированных фотонов в выходных каналах интерферометра зависит от числа поступающих фотонов (числа источников фотонов) и от их расположения относительно входных каналах интерферометра. В качестве конкретного примера состояний фотонов на выходе интерферометра , фокусирующего всю мощность накачки, рассмотрен случай, когда имеется только один источник фотонов, способный генерировать одиночный фотон. Фиг. 3 иллюстрирует данный пример (изображены только импульсы генерируемых однофотонных состояний). Если входной канал интерферометра, на который поступает фотон, имеет индекс , то состояние на выходе есть суперпозиция:Distribution of generated photons in the output channels of the interferometer depends on the number of incoming photons (the number of photon sources) and on their location relative to the input channels of the interferometer. As a specific example of photon states at the interferometer output focusing the entire pump power, we consider the case when there is only one photon source capable of generating a single photon. Fig. 3 illustrates this example (only the pulses of generated single-photon states are shown). If the input channel of the interferometer, to which the photon arrives, has the index , then the output state is a superposition:
где - квантовое состояние с одним фотоном в выходном канале с индексом . В состоянии (5) вероятность появления фотона в каждом выходном канале равна , а в вероятность появления фотона в состоянии 20 в оставшихся N-1 каналах (со 2-го по N-й) равна . Т.е., имеется доля вероятности появления однофотонного импульса 21 в выходном канале 11, куда сфокусирована вся мощность накачки, равная . Т.к. компонента 21 не используется для приготовления квантовых состояний фотонов, то случай попадания фотона в этот канал является его потерей, т.к. отфильтрованными от накачки являются состояния в выходных каналах с 2-го по N-й. Таким образом, вероятность прохождения одиночного фотона через фильтрующий интерферометр равна . Квантовое состояние фотона на выходе является смешанным и описывается оператором плотности:where is a quantum state with one photon in the output channel with index. In state (5), the probability of a photon appearing in each output channel is, and in the probability of the appearance of a photon in
где - состояние с 0 фотонов во всех каналах с индексами от 2 до N, - состояние суперпозиции одного фотона со 2 по N-й выходной каналы. Из вида состояния (6) следует, что в каналах с индексами с 2 по N будет выходить фотон в состоянии с вероятностью ; с вероятностью в этих каналах фотона не будет.where - state with 0 photons in all channels with indices from 2 to N, - the state of superposition of one photon from the 2nd to the Nth output channels. It follows from the form of state (6) that in channels with indices from 2 to N, a photon will emerge in the state with probability ; with probability there will be no photon in these channels.
Для того, чтобы фотон в состоянии , распределенном по N-1 каналам (2…N), преобразовать в фотон, выходящий из одного, можно воспользоваться дополнительным преобразованием, которое осуществляет интерферометр 15 с числом каналов N-1. Для этого выбирают передаточную матрицу интерферометра 15 таким образом, что она удовлетворяет уравнению: , где - столбец, составленный из коэффициентов разложения состояния , - столбец, имеющий все элементы нули за исключением одного, индекс которого соответствует каналу, куда должен быть преобразован фотон. На Фиг. 3 фотон сосредоточен в одном выходном канале 22. Таким образом, импульс фотона 3 от источника 1 преобразуется в импульс фотона 23 с вероятностью . Очевидно, что потери фотона в рассматриваемой схеме можно уменьшить (повысить вероятность прохождения фотона ), если увеличивать число каналов интерферометра 5.In order for a photon to be in a state , distributed over N-1 channels (2…N), can be converted into a photon coming out of one, you can use the additional transformation that the
При реализации примера, когда на вход фокусирующего интерферометра 5 поступает более 1 фотона, распределение вероятности возможных конфигураций фотонов не равновероятно, как в случае 1 фотона - вероятности конфигураций зависят от индексов входных каналов, на которые эти фотоны поступают. Вероятности реализации разных конфигураций фотонов на выходе из N-канального интерферометра сводятся к расчету амплитуд вероятности состояния на выходных каналах When implementing the example, when more than 1 photon arrives at the input of the focusing
где обозначает выходное состояние фотонов с распределением по каналам, задаваемым вектором , где - число фотонов в канале с индексом j, вектор обозначает конфигурацию фотонов на входе в интерферометр: . Суммирование в (7) производят по всем возможным конфигурациям фотонов M, распределенным по N модам. Число всех конфигураций дается сочетанием из N по M. Число фотонов на выходе должно быть равно числу фотонов на входе, поэтому . Амплитуды в состоянии рассчитывают по формуле (S.Aaronson, A. Arkhipov, “Computational complexity of linear optics”, arxiv:1011.3245 (2010)): where denotes the output state of photons with a distribution over channels given by the vector , where - number of photons in the channel with index j, vector denotes the configuration of photons at the input to the interferometer: . The summation in (7) is performed over all possible photon configurations M distributed over N modes. The number of all configurations is given by a combination of N through M. The number of photons at the output must be equal to the number of photons at the input, so . Amplitudes in state calculated by the formula ( S.Aaronson, A. Arkhipov, “Computational complexity of linear optics”, arxiv:1011.3245 (2010) ):
где - перманент матрицы , которая получена из передаточной матрицы интерферометра отбором строк и столбцов в соответствии с векторами и : строка с индексом j берется число раз (если , то она не берется), столбец с индексом I берется число раз. Также в (8) введены обозначения для факториалов: , . Вероятность реализации конфигурации фотонов, описываемой вектором , при входной конфигурации , дается .where - matrix permanent , which is obtained from the transfer matrix interferometer by selecting rows and columns in accordance with the vectors and : the string with index j is taken number of times (if , then it is not taken), the column with index I is taken number of times. Also in (8) the notation for factorials is introduced: , . The probability of realizing the photon configuration described by the vector , with input configuration , is given .
Возможна реализация способа, когда на вход фокусирующего интерферометра с передаточной матрицей поступает 2 фотона, по одному в каналы с индексами и (входное состояние: , т.е. , а остальные ). Множество возможных состояний фотонов на выходных каналах представляет собой все комбинации 2 фотонов, распределенных по N каналам. Расчет вероятностей конфигураций фотонов с помощью формулы (8) приводит к следующим выражениям:It is possible to implement the method when the input of the focusing interferometer with the
для конфигураций, содержащих фотоны в разных каналах с индексами и (;), и for configurations containing photons in different channels with indices and ( ; ), and
для конфигураций с 2 фотонами в одном выходном канале с индексом ().for configurations with 2 photons in one output channel with index ( ).
Полагая как в предыдущем примере, что потери фотонов связаны с вероятностью их прохождения в первый выходной канал, в который фокусируется когерентная накачка, можно рассчитать потери в рассматриваемой схеме с двумя фотонами. Используя формулы (9) и (10), вероятность потери одного фотона есть . Вероятность потери сразу двух фотонов .Assuming, as in the previous example, that the loss of photons is related to the probability of their passage to the first output channel into which the coherent pump is focused, we can calculate the losses in the considered scheme with two photons. Using formulas (9) and (10), the probability of losing one photon is . The probability of losing two photons at once .
Простейший случай, при котором работает предлагаемый способ, использует одиночный делитель с пространственными каналами. Фиг. 4 иллюстрирует две схемы с минимально возможным числом источников и каналов, которые используют двухканальный делитель 24. В общем виде передаточная матрица элемента делителя принимает вид:The simplest case, in which the proposed method works, uses a single divisor with spatial channels. Fig. 4 illustrates two circuits with the smallest possible number of sources and channels that use a two-
где угловой параметр описывает его коэффициент прохождения по мощности и коэффициент отражения , а угловой параметр описывает разность фаз между входными каналами. Фиг. 4а поясняет преобразование делителем двух импульсов когерентной накачки 4а и 4б, которые поступают на его входы 25. Если импульсы накачки поступают на делитель синхронно (в одном временном окне), их частотные спектры и поляризации совпадают, то всю их мощность можно сфокусировать в один из двух выходных каналов 26. Используя (3) и обозначая амплитуды когерентных импульсов через и , условие фокусировки в один канал принимает вид: , которое разбивается на два уравнения: и . Решение уравнений всегда существует, если и . В рассматриваемом примере существует два способа выполнения фокусировки накачки. Во-первых, если амплитуды когерентных импульсов заданы и имеется возможность варьировать параметры делителя и , то их можно выбрать таким образом, чтобы удовлетворить условию фокусировки. Во-вторых, если заданы параметры делителя и и имеется возможность управления мощностями и амплитудами накачек, то их можно подобрать таким образом, чтобы удовлетворить условию фокусировки.where is the angular parameter describes its power transmission coefficient and reflection coefficient , and the angular parameter describes the phase difference between input channels. Fig. 4a explains the conversion by the divider of two
Фиг. 4б иллюстрирует преобразование двух одиночных фотонов (3а и 3б), генерируемых двумя источниками (1а и 1б), поступающими на входы 25 делитель 24. Если фотоны неразличимые, т.е. обладают одинаковыми спектрами, поляризацией и синхронно приходят на входы 25, то состояние 27 на выходах 26 можно рассчитать, используя формулы (8) и (11):Fig. 4b illustrates the transformation of two single photons (3a and 3b) generated by two sources (1a and 1b) arriving at the
В (12) параметры делителя и находят из условия фокусировки импульсов накачки в выходной канал с индексом 1. Квантовое состояние фотонов на выходе канала 2, в котором отсутствует импульс когерентной накачки, является смешанным и задается оператором плотности:In (12) the divisor parameters and is found from the condition of focusing pump pulses into the output channel with
Среднее число фотонов, выходящих из канала с индексом 2, которое описывается состоянием (13), равно 1. Таким образом, в простейшей схеме, изображенной на Фиг. 4б, при фильтрации остаточной когерентной накачки теряется половина фотонов.The average number of photons coming out of the channel with
Фиг. 4в иллюстрирует случай, когда на входы 25 делителя 24 подается один фотон 3а от одного источника 1а. Состояние 28 на выходах делителя 24 имеет следующий вид:Fig. 4c illustrates the case when the
Вероятность обнаружить фотон в выходе с индексом 2 составляет , таким образом, потери в случае, изображенном на Фиг. 4в, составляют .The probability of finding a photon in the output with
Предложенный способ фильтрации когерентной накачки может быть реализован с применением каскада последовательно соединенных интерферометров, как изображено на Фиг. 5. В таких схемах следующий первым программируемый интерферометр 5а осуществляет фокусировку когерентной накачки 4, поступающей на его входы, в выход 11а. Оставшаяся неотфильтрованная накачка, выходящая из остальных выходов интерферометра 5а, вместе с состоянием фотонов 14а поступает на входы следующего интерферометра 5б. При этом соответствующие входы интерферометра 5б соединены с выходами интерферометра 5а. Интерферометр 5б осуществляет дополнительную фильтрацию когерентной накачки, которую он фокусирует в выход 11б. На каждом интерферометре происходит фильтрация накачки, которая не поступает на входы следующих интерферометров - сигналы отфильтрованной накачки 12а, 12б и 12в на Фиг. 5. Схема может включать столько интерферометров, сколько необходимо для приемлемого уровня фильтрации накачки, т.е. уровень мощности когерентной накачки, выходящий из последнего интерферометра 5в, должен быть намного меньше мощности фотонов в состоянии 14в. Каскадные схемы, состоящие из нескольких фильтрующих интерферометров, могут давать лучший уровень фильтрации когерентной накачки по сравнению со схемами, содержащими один интерферометр 5. Например, в случае, когда один интерферометр не позволяет осуществить высокий уровень фильтрации в силу ограничений дизайна интерферометра и/или точности выставления его параметров.The proposed method for filtering coherent pumping can be implemented using a cascade of interferometers connected in series, as shown in Fig. 5. In such schemes, the next first
Существует несколько типов источников фотонов, в которых можно использовать предлагаемое изобретение. На Фиг. 6 представлены диаграммы, иллюстрирующие соотношение между частотами когерентной накачки и частотой(-ами) генерируемых фотонов для разных типов источников. Диаграмма, изображенная на Фиг. 6а, соответствует источникам пар фотонов, основанных, например, на эффекте спонтанного параметрического рассеяния (СПР). Процесс СПР протекает в среде с квадратичной оптической нелинейностью. В таких источниках фотоны из интенсивной когерентной накачки с центральной частотой 29 распадаются на пары с центральными частотами 30 и 31. При этом справедливо соотношение: , где - центральная частота накачки, а и - центральные частоты генерируемых фотонов. В зависимости от частотной дисперсии в среде, в которой реализуют процесс СПР, которая зависит от центральных частот, поляризации и пространственных мод, источники могут генерировать фотоны, как с отличающимися частотами, так и с совпадающими частотами. При этом поляризации и/или пространственные моды генерируемых фотонов могут отличаться или совпадать.There are several types of photon sources in which the present invention can be used. On FIG. 6 are diagrams illustrating the relationship between the coherent pumping frequencies and the frequency(s) of generated photons for different types of sources. The diagram shown in Fig. 6a corresponds to sources of photon pairs based, for example, on the effect of spontaneous parametric scattering (SPS). The SPR process proceeds in a medium with quadratic optical nonlinearity. In such sources, photons from intense coherent pumping with a center frequency of 29 decay into pairs with center frequencies of 30 and 31. In this case, the relation is valid: , where is the pump center frequency, and and are the central frequencies of the generated photons. Depending on the frequency dispersion in the medium in which the SPR process is implemented, which depends on the central frequencies, polarization and spatial modes, the sources can generate photons, both with different frequencies and with the same frequencies. In this case, the polarizations and/or spatial modes of the generated photons may differ or coincide.
На фиг. 6б изображена диаграмма, иллюстрирующая соотношение центральных частот для источников пар фотонов с двумя накачками с центральными частотами 32 и 33. Частоты накачек и и частоты генерируемых фотонов и удовлетворяют следующему соотношению: . Для реализации источника такого типа необходимо среда с кубической нелинейностью. В общем случае, частоты и поляризации всех волн накачек и генерируемых фотонов могут, как совпадать, так и отличаться.In FIG. Figure 6b shows a diagram illustrating the ratio of center frequencies for photon pair sources with two pumps with center frequencies of 32 and 33. Pump frequencies and and frequency of generated photons and satisfy the following relation: . To implement a source of this type, a medium with cubic nonlinearity is required. In the general case, the frequencies and polarizations of all pump waves and generated photons can either coincide or differ.
На фиг. 6в изображена диаграмма, иллюстрирующая соотношение центральной частоты накачки 34 и генерируемого фотона 35 для источников одиночных фотонов на основе квантовых эмиттеров, например, на основе квантовых точек. Источники такого типа могут генерировать не более одного фотона за раз. Диаграмма иллюстрирует резонансный способ возбуждения источника, при котором центральная частота генерируемых фотонов совпадает с центральной частотой когерентной накачки: . На Фиг. 6г изображена диаграмма, соответствующая нерезонансному возбуждению источника одиночных фотонов. В таком случае .In FIG. 6c is a diagram illustrating the relationship between the
Программируемые интерферометры 5, используемые в изобретении для фильтрации когерентной накачки, могут иметь разные архитектуры. Известен универсальный способ осуществления многоканальных программируемых интерферометров с помощью объединения друг с другом двухканальных преобразований, предложенный в работах М. Рэка с соавторами, «Экспериментальная реализация любого дискретного унитарного оператора» // Phys. Rev. Lett. Т. 73, № 1, С. 58 (1994) и В.Р. Клеменса с соавторами, «Оптимальный дизайн универсальных многопортовых интерферометров» // Optica, Т. 3, № 12, С. 1460 (2016). Этот способ позволяет конструировать произвольные линейные преобразования, соединяя друг с другом двухканальные преобразования и надлежащим выбором параметров этих двухканальных преобразований. Суть способа заключается в соединении друг за другом множества слоев преобразований, каждый из которых содержит множество двухканальных блоков, действующих независимо друг от друга. Каждым из двухканальных блоков в составе большого многоканального интерферометра можно управлять, выставляя значения сдвигов фаз на элементах. Каждый из блоков содержит по 2 элемента варьируемых сдвигов фаз. В случае, когда число каналов в интерферометре равно , общее число двухканальных блоков в универсальных схемах, упомянутых выше, равно . Кроме этого, схемы универсальных интерферометров содержат независимые фазовых сдвигов, располагаемые сразу после входов или перед выходами в интерферометр. Таким образом, общее число элементов фазовых сдвигов в универсальных интерферометрах должно быть не меньше .The
Для фильтрации когерентной накачки можно использовать не универсальные программируемые интерферометры. Пример программируемого 5-канального интерферометра, который способен фильтровать когерентную накачку, изображен на Фиг. 7. Интерферометр состоит из 8-ми двухканальных блоков 36. На Фиг. 7 проиллюстрирован случай, когда на все входы 9 интерферометра подают когерентные сигналы накачки 37. Передаточные матрицы двухканальных блоков 36 можно настроить таким образом, чтобы фокусировать всю мощность 38 когерентных сигналов в один выход 11.Non-universal programmable interferometers can be used to filter coherent pumping. An example of a programmable 5-channel interferometer that is capable of filtering coherent pumping is shown in FIG. 7. The interferometer consists of 8 two-channel blocks 36. In FIG. 7 illustrates the case when coherent pump signals 37 are fed to all
На Фиг. 8а изображена схема интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) - оптического элемента, который является программируемым двухканальным блоком 36. ИМЦ состоит из двух статических сбалансированных делителей 39 и двух варьируемых элементов сдвигов фазы 40. Выставление значений сдвигов фаз 40 определяет передаточную матрицу ИМЦ. На Фиг. 8б представлена схема интегрально-оптической реализации ИМЦ, которая осуществляет преобразование между двумя пространственными каналами, реализованными в виде двух одномодовых волноводов. В этой реализации ИМЦ элементы статических делителей 39 реализованы в виде направленных делителей 41 - областями сближения двух волноводов до реализации связи между ними (А. Снайдер, Дж. Лав «Теория оптических волноводов» // Радио и Связь 1987). Варьируемые элементы сдвигов фаз 40 реализованы в виде интегрально-оптических элементов 42. Элементы изменяют показатель преломления материала вблизи своего расположения около отрезка волновода таким образом, что вносится набег фазы на этом участке. Например, может быть использован термо-оптический, электро-оптический или пьезо-оптический элемент фазового сдвига.On FIG. 8a shows a diagram of the Mach-Zehnder interferometer (MZI) - an optical element that is a programmable two-
Способ фильтрации накачки осуществляют следующим образом.The pump filtering method is carried out as follows.
1. Для фильтрации когерентной накачки от M источников сигналы с их выходов подают на входы N-канального интерферометра (), который выполнен с возможностью изменения его передаточной матрицы U. Выбирают подмножество из K выходов N-канального интерферометра, в которые будет осуществляться фокусировка когерентной накачки. Сигналы с этих выходов подают на детекторы, измеряющие мощность. Для выбранного интерферометра число каналов K выбирают исходя из возможности фокусировки накачки - мощность когерентной накачки на остальных выходах должна быть минимальной и удовлетворять требованиям. В качестве критерия можно использовать мощность когерентной накачки, проходящей в оставшиеся N-K выходы интерферометра, которая должна быть намного меньше, чем мощность фотонов на этих выходах.1. To filter the coherent pump from M sources, the signals from their outputs are fed to the inputs of an N-channel interferometer ( ), which is configured to change its transfer matrix U. A subset is selected from the K outputs of the N-channel interferometer, into which the coherent pumping will be focused. Signals from these outputs are fed to detectors that measure power. For the selected interferometer, the number of channels K is chosen based on the possibility of pump focusing - the coherent pump power at the remaining outputs should be minimal and satisfy the requirements. As a criterion, one can use the coherent pump power passing into the remaining NK outputs of the interferometer, which should be much less than the photon power at these outputs.
2. Для фокусировки передаточную матрицу N-канального интерферометра программируют таким образом, чтобы мощность, измеряемая на K его выходах, выбранных для фокусировки накачки, была максимальной. Для этого варьируемые элементы сдвигов фазы интерферометра меняют таким образом, чтобы измеряемая мощность накачки в K выходах была максимальной. При использовании последовательности из нескольких интерферометров, изображенной на Фиг. 5, выполняют программирование всех интерферометров с достижением максимума мощности в выходах 11а, 11б, … 11в.2. Focusing transfer matrix The N-channel interferometer is programmed in such a way that the power measured at its K outputs, chosen for pump focusing, is maximum. To do this, the variable elements of the phase shifts of the interferometer are changed in such a way that the measured pump power in the K outputs is maximum. Using the sequence of multiple interferometers shown in FIG. 5, all interferometers are programmed with the achievement of maximum power in
Предложенный способ фильтрации когерентной накачки можно реализовать с интерферометрами, использующими пространственное кодирование. В таких системах в качестве канала может выступать волновод или пространственная мода свободного пространства. В оптике волноводные структуры, формирующие схемы с пространственным кодированием, могут быть выполнены в виде интегральной оптической схемы, которую можно изготовить по планарной технологии литографии (L. Chrostowski, M. Hochberg, Silicon Photonics design: from devices to systems // Cambridge Univ. Press, 2015) или по трехмерной технологии, например, лазерной печатью (I.V. Dyakonov et al., Reconfigurable photonics on a glass chip // Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018)). В качестве элементов фазового сдвига в таких схемах могут применяться 1) термо-оптические элементы, которые меняют набег фазы участка волновода при пропускании через них электрического тока за счет его нагрева, 2) электро-оптические элементы, которые меняют набег фазы при приложении напряжения за счет изменения концентрации электронов и/или дырок на участке волновода, и 3) пьезо-оптического элемента, изменяющего набег фазы распространяющегося в волноводе сигнала под действием электрического напряжения, которое вызывает напряжение механическое на участке волновода, что меняет его показатель преломления.The proposed method for filtering coherent pumping can be implemented with interferometers using spatial coding. In such systems, a waveguide or a spatial mode of free space can act as a channel. In optics, waveguide structures forming spatially encoded circuits can be implemented as an integrated optical circuit, which can be fabricated using planar lithography technology ( L. Chrostowski, M. Hochberg, Silicon Photonics design: from devices to systems // Cambridge Univ. Press , 2015 ) or by 3D technology such as laser printing ( IV Dyakonov et al., Reconfigurable photonics on a glass chip // Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018) ). As phase shift elements in such circuits, 1) thermo-optical elements can be used, which change the phase incursion of the waveguide section when an electric current is passed through them due to its heating, 2) electro-optical elements, which change the phase incursion when a voltage is applied due to changes in the concentration of electrons and / or holes in the waveguide section, and 3) a piezo-optical element that changes the phase shift of the signal propagating in the waveguide under the action of an electrical voltage, which causes mechanical stress in the waveguide section, which changes its refractive index.
Заявляемое изобретение может быть также реализовано в системах с частотным кодированием каналов. В таком случае в качестве дискретных каналов выступают неперекрывающиеся частотные линии спектра электромагнитного поля. Каждой из линии ставят в соответствие номер канала, таким образом, набор из линий образует множество каналов всего преобразования. В качестве амплитуды сигнала, распространяющегося по частотному каналу, выступает комплексная амплитуда соответствующей частотной компоненты. Стоит заметить, что использование частотной кодировки каналов многоканального преобразования позволяет использовать для передачи и преобразования один пространственный канал - один волновод, одну пространственную моду свободного пространства. Для осуществления взаимодействия между частотными каналами предложено использовать набор преобразований модуляции частотных каналов, которая наводит на каналы зависящую от времени фазу, профиль которой можно подбирать, и формирователь импульсов.The claimed invention can also be implemented in systems with frequency coding channels. In this case, non-overlapping frequency lines of the electromagnetic field spectrum act as discrete channels. Each line is assigned a channel number, so a set of lines form a set of channels of the entire transformation. The amplitude of the signal propagating along the frequency channel is the complex amplitude of the corresponding frequency component. It is worth noting that the use of frequency coding of multichannel conversion channels makes it possible to use one spatial channel for transmission and conversion - one waveguide, one spatial mode of free space. To implement the interaction between frequency channels, it is proposed to use a set of frequency channel modulation transformations, which induces a time-dependent phase on the channels, the profile of which can be selected, and a pulse shaper.
Наиболее широкое распространение многоканальные системы с частотными каналами получили в оптике, в частности, в квантовой. Заявляемое изобретение может быть реализовано по аналогии с системой, описанной в работе H.-H. Lu et al., Electro-optic frequency beam splitters and tritters for high-fidelity photonic quantum information processing // Phys. Rev. Lett., vol. 120, 030502, 2018), в которой продемонстрировано на практике осуществление преобразований Адамара для одного частотного канала и преобразование триттера для трех частотных каналов. Для реализации изобретения может быть использовано оптоволоконное оборудование, которое является стандартным для телекоммуникационного диапазона длин волн в районе 1550 нм. Для осуществления модуляции могут быть применены электрооптические модуляторы и формирователь импульсов, которые являются стандартными компонентами телекоммуникационного оборудования. Помимо оптоволоконных телекоммуникационных компонент, весь их набор можно также реализовать с помощью интегрально-оптических схем, т.к. все необходимые элементы были продемонстрированы. Например, интегрально-оптический формирователь импульсов продемонстрирован в работе K.A. McKinzie et al. InP integrated pulse shaper with 48 channel, 50 GHz spacing amplitude and phase control, 2017 IEEE Photonics Conference (IPC), 197-198 (2017). Интегрально-оптические модуляторы на протяжении долгого времени являются доступными для изготовления в интегрально-оптическом исполнении (K. Ogawa, Integrated silicon-based optical modulators: 100Gb/s and beyond, SPIE Press, ISBN: 9781510625815, 2019).Multichannel systems with frequency channels are most widely used in optics, in particular, in quantum optics. The claimed invention can be implemented by analogy with the system described in the work of H.-H. Lu et al., Electro-optic frequency beam splitters and tritters for high-fidelity photonic quantum information processing, Phys. Rev. Lett., vol. 120, 030502, 2018), which demonstrates in practice the implementation of the Hadamard transform for one frequency channel and the tritter transform for three frequency channels. To implement the invention can be used fiber optic equipment, which is standard for telecommunications wavelengths in the region of 1550 nm. For modulation, electro-optical modulators and a pulse shaper, which are standard components of telecommunications equipment, can be used. In addition to fiber-optic telecommunication components, their entire set can also be implemented using integrated optical circuits, since all necessary elements were demonstrated. For example, an integrated optical pulse shaper is demonstrated by KA McKinzie et al. InP integrated pulse shaper with 48 channels, 50 GHz spacing amplitude and phase control, 2017 IEEE Photonics Conference (IPC), 197-198 (2017) . Integrated optical modulators have been available for manufacturing in integrated optical design for a long time ( K. Ogawa, Integrated silicon-based optical modulators: 100Gb/s and beyond, SPIE Press, ISBN: 9781510625815, 2019 ).
Заявляемое изобретение может быть также реализовано в системах, использующих временное кодирование. В этом случае, в качестве дискретных каналов выступают неперекрывающиеся между собой временные отрезки. Каждому временному отрезку ставят в соответствие номер канала. Импульс электромагнитного сигнала, находящийся во временном отрезке с некоторым индексом , интерпретируется как сигнал в канале , а амплитуда импульса интерпретируется как амплитуда сигнала в канале с этим индексом. Как и в случае с частотным кодированием, при временном кодировании используют одиночный пространственный канал, который может представлять собой волновод или пространственную моду свободного пространства. Для осуществления взаимодействия между каналами в этой схеме необходимы линии задержки и динамически варьируемые делители.The claimed invention can also be implemented in systems using time coding. In this case, non-overlapping time intervals act as discrete channels. Each time interval is assigned a channel number. An impulse of an electromagnetic signal located in a time interval with a certain index , is interpreted as a signal in the channel , and the pulse amplitude is interpreted as the signal amplitude in the channel with this index. As with frequency coding, temporal coding uses a single spatial channel, which may be a waveguide or free space spatial mode. To implement the interaction between channels in this scheme, delay lines and dynamically variable dividers are needed.
В частности, заявляемое изобретение может быть реализовано по аналогии с многоканальной схемой с временным кодированием, представленной в работе K.R. Motes et al., Scalable boson sampling with time-bin encoding using a loop-based architecture // Phys. Rev. A, vol. 113, 120501 (2014), в которой предложена универсальная многоканальная схема, которая основана на волоконных петлях задержки и реконфигурируемых двухканальных делителях - это стандартные компоненты, находящие применение, например, в телекоммуникации. Многоканальные блоки преобразования могут быть реализованы с помощью нескольких вложенных друг в друга петель задержки и постоянных делителей, тогда как варьируемые сдвиги фаз можно реализовать с помощью динамически программируемых фазовых модуляторов или фазовых сдвигов.In particular, the claimed invention can be implemented by analogy with the multi-channel time-coding scheme presented in KR Motes et al., Scalable boson sampling with time-bin encoding using a loop-based architecture // Phys. Rev. A, vol. 113, 120501 (2014), which proposes a versatile multi-channel circuit based on fiber delay loops and reconfigurable two-channel dividers, are standard components found in telecommunications, for example. Multi-channel transform blocks can be implemented using multiple nested delay loops and constant dividers, while variable phase shifts can be implemented using dynamically programmable phase modulators or phase shifts.
Примеры конкретного выполненияSpecific Implementation Examples
Для проверки осуществимости предлагаемого изобретения с достижением технического результата была собрана оптическая установка, изображенная на Фиг. 9. Основными элементами установки являются: 1) накачивающий лазер 43, генерирующий импульсы на центральной длине волны 918.8 нм длительностью ~100 фс и частотой следования МГц, 2) разветвитель мощности лазерного излучения 44, который распределяет когерентные сигналы от лазера на 5 пространственных каналах, выполненный в интегрально-оптическом исполнении, 3) источник одиночных фотонов 45 на основе квантовой точки, генерирующий фотоны на длине волны 918.8 нм (центральная длина волны излучения лазера была специально подстроена для резонансного возбуждения источника фотонов), 4) программируемый 5-канальный интерферометр 46, выполненный в интегрально-оптическом исполнении, 5) детектор оптического излучения, способный регистрировать интенсивные когерентные сигналы лазера 47, 6) 4 сверхпроводниковых детектора одиночных фотонов 48, 7) компьютер 49, управляющий преобразованием 5-канального интерферометра через электрические линии 50 и обрабатывающий сигналы с детекторов, которые поступают на него по электрическим линиям 51.To test the feasibility of the proposed invention with the achievement of a technical result, an optical installation was assembled, shown in Fig. 9. The main elements of the setup are: 1) a pumping
В качестве программируемого интерферометра 46, осуществляющего фильтрацию остаточной когерентной накачки, использован интегрально-оптический чип, созданный с помощью технологии фемтосекундной лазерной печати, которая позволяет изготавливать как планарные, так и трехмерные интегрально-оптические схемы. Детали использованной технологии изготовления можно найти в работе I.V. Dyakonov et al., “Reconfigurable photonics on a glass chip” // Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018). Для создания интегрального чипа оптической схемы использована кварцевая заготовка в форме прямоугольника с длиной 12 см, шириной 5 см и толщиной 0.5 см. Интерферометр 46 имел 5 каналов, а его схема была выполнена со взаимным размещением элементов, изображенном на Фиг. 7. Двухканальные блоки интерферометров Маха-Цандера 36 в интегральной оптической схеме интерферометра 46 реализовываны по дизайну, изображенному на Фиг. 8б, где реализованы направленные делители с помощью областей сближения волноводов.As a
На первом этапе изготовления чипа программируемого интерферометра 46 в объеме заготовки создают пассивные волноводные структуры, формирующие статическую оптическую схему, представляющую собой соединенные друг с другом направленные делители. Начала и концы волноводов доведены до противоположных торцов стеклянной заготовки для обеспечения возможности заведения и выведения оптических сигналов.At the first stage of manufacturing a
Для реализации программируемости на чипе изготовлены элементы сдвига фазы, с помощью которых осуществлена реконфигурация интерферометров. Элементы сдвига фазы использовали термо-оптический эффект. Элементы изменяемых фазовых сдвигов представляли собой металлические полоски, располагаемые над участками волноводов, на которых было необходимо реализовать эти элементы. При подаче напряжения на элементы происходил нагрев соответствующих участков волноводов, в результате чего коэффициент преломления стекла в этой области менялся, вызывая таким образом сдвиг фазы относительно не нагретых участков.To implement programmability, phase shift elements were fabricated on the chip, with the help of which interferometers were reconfigured. The phase shift elements used the thermo-optical effect. The elements of variable phase shifts were metal strips located above the sections of the waveguides on which it was necessary to implement these elements. When voltage was applied to the elements, the corresponding sections of the waveguides were heated, as a result of which the refractive index of the glass in this area changed, thus causing a phase shift relative to unheated sections.
Для разветвления когерентного излучения от лазера 43 между 5-ю пространственными каналами был изготовлен интегральный оптический чип разветвителя 44 технологией фемтосекундной лазерной печати, схема которого изображена на Фиг. 9б. Для создания интегрального чипа разветвителя использована кварцевая заготовка в форме прямоугольника с длиной 12 см, шириной 5 см и толщиной 0.5 см. Схема разветвителя состоит из 5-ти волноводов и включает в себя область сближения этих волноводов 52. В области сближения волноводов реализовано деление когерентной накачки лазера, которая подавалась на один волновод и распределялась между близко расположенными волноводами. Начало и конец одного волновода 53, в который заводилось излучение от лазера, доводились до противоположных торцов чипа, тогда как у остальных волноводов до торца доводились только выходные концы, чтобы выводить излучение из чипа. Ввод излучения накачки от лазера осуществлен через оптическое волокно. Вывод разделенного когерентного излучения с выходов чипа разветвителя также осуществлен через оптические волокна. Расстояние между волноводами в области связи и длина области связи подбиралась таким образом, чтобы реализовать равномерное распределение мощности когерентной накачки между 5 выходными каналами.To split the coherent radiation from the
В оптической установке был использован один источник фотонов. Источником служила квантовая точка в микрорезонаторе, располагаемая в криостате и поддерживаемая при температуре 4 К (S.E. Thomas et al. “Bright polarized single-photon source based on a linear dipole” // Phys. Rev. Lett., vol. 126, 233601 (2021)). Криостат имел прозрачное окно для возможности завода когерентной лазерной накачки и вывода генерируемых однофотонных сигналов на центральной длине волны 918.8 нм. Импульсное излучение от лазера, выходящее из одного канала разветвителя, через оптическое волокно поступало на оптический телескоп, располагаемый у окна криостата, который фокусировал излучение накачки в источник фотонов; через телескоп также выводились генерируемые фотоны с остаточной накачкой. В установке была реализована резонансная схема накачки - центральная длина волны накачивающих лазерных импульсов соответствовала центральной длине волны генерируемых фотонов (см. Фиг. 5в).A single photon source was used in the optical setup. The source was a quantum dot in a microcavity located in a cryostat and maintained at a temperature of 4 K ( SE Thomas et al. “Bright polarized single-photon source based on a linear dipole” // Phys. Rev. Lett., vol. 126, 233601 ( 2021) ). The cryostat had a transparent window for the possibility of planting coherent laser pumping and outputting generated single-photon signals at a central wavelength of 918.8 nm. The pulsed radiation from the laser coming out of one channel of the splitter was fed through an optical fiber to an optical telescope located near the cryostat window, which focused the pump radiation into the photon source; the generated photons with residual pumping were also output through the telescope. A resonant pumping scheme was implemented in the setup - the central wavelength of the pumping laser pulses corresponded to the central wavelength of the generated photons (see Fig. 5c).
Излучение с 5-ти выходов программируемого интерферометра поступало на детекторы. Один детектор 47 был способен регистрировать интенсивное излучение от лазера. Электрический ток с детектора пропорционален измеряемой мощности оптического сигнала, поступающего на детектор. 4-е остальных детектора 48 имели чувствительность на уровне однофотонных сигналов. Поступление одного фотона на детектор приводило к электрическому импульсу, который поступал по одной из 4-х электрических линий 51 на компьютер 49. В качестве детекторов одиночных фотонов использованы сверхпроводниковые детекторы. Сигналы с 4-х выходов программируемого интерферометра заводились в детекторы. Эффективность детектирования одиночных фотонов составляла ~85%. Электрические сигналы со всех 5-ти детекторов поступали на персональный компьютер. Этот же компьютер управлял программируемым интерферометром посредством выставления напряжений на термо-оптических элементах сдвигах фазы. Компьютерная программа обрабатывала сигналы, поступающие на компьютер от детекторов.Radiation from 5 outputs of the programmable interferometer arrived at the detectors. One
Для соединения оптических элементов оптической установки использованы одномодовые волокна, сохраняющие поляризацию оптических сигналов.To connect the optical elements of the optical setup, single-mode fibers were used that preserve the polarization of optical signals.
Для демонстрации работы заявляемого изобретения с помощью созданной установки сначала производилась настройка интерферометра 46 на «фокусировку» всей мощности накачки в выход 47 при не работающем источнике фотонов. Для отключения источника фотонов центральная длина волны, отвечающая излучательному переходу источника, отстраивалась относительно 918.8 нм в коротковолновую область, таким образом, лазерная накачка не могла возбудить источник. Отстройка длины волны произведена локальным нагревом источника, который выполнен приложением напряжения на расположенный рядом с ним диод. Компьютер выполнял поиск конфигурации напряжений, подаваемых на элементы сдвигов фаз в интерферометре 46, который отвечает максимальному электрическому току, поступающему с детектора 47. Т.к. доля накачки все же может проходить в каналы перед детекторами фотонов 48 из-за неточной настройки интерферометра по сигналу с детектора 47, далее проводилась более точная настройка интерферометра 46 с целью повысить качество «фокусировки» мощности накачки в канал перед детектором 47. Для этого проведена подстройка напряжений сдвигов фаз, которая минимизировала скорость отсчетов с детекторов одиночных фотонов 48. В результате настройки скорость фотоотсчетов детекторов 48 составила Гц, а мощность, поступающая на детектор 47, составляла нВт.To demonstrate the operation of the claimed invention using the created installation, the
Далее включался источник фотонов с помощью подстройки длины волны, соответствующего излучающему переходу, на резонанс с длиной волны накачки 918.8 нм. В результате на выходе детекторов одиночных фотонов 48 наблюдался рост частоты фотоотсчетов (суммарной частоты на всех детекторах 48), который составил ~220 кГц. Т.к. подстройка длины волны излучательного перехода, включающая источник фотонов, приводит к поглощению фотона из когерентной накачки, а также она могла сопровождаться изменением в оптических свойствах микрорезонатора и квантовой точки, проводилась еще одна подстрока интерферометра 46. При подстройке целью было уменьшение частоты фотоотсчетов детекторов фотонов 48. После поднастройки частота фотоотсчетов уменьшилась и составила кГц.Next, the photon source was turned on by adjusting the wavelength corresponding to the radiating transition to resonance with a pump wavelength of 918.8 nm. As a result, at the output of
На основе результатов эксперимента заявляемым способом в описанной выше реализации была проведена оценка величины коэффициента фильтрации. Был проведен расчет средней мощности оптического излучения нВт., поступавшей на детектор 47, как мощности отфильтрованной накачки, а частоты фотоотсчетов Гц (полученной на этапе без работающего источника фотонов) как частоты отсчетов фотонов когерентного излучения, которое не удалось отфильтровать подстройкой преобразования интерферометра 46. Был проведен пересчет мощности излучения из единиц Вт в единицы фотоны/с: , где Дж*с - постоянная Планка, м/с - скорость света в вакууме, нм - длина волны накачки. Средняя мощность сфокусированного когерентного сигнала на детекторе 47 составила 1/c. Таким образом, оценка для коэффициента фильтрации накачки составила . Здесь - эффективность детекторов одиночных фотонов.Based on the results of the experiment by the claimed method in the implementation described above, an estimate was made of the value of the filtration coefficient. The average power of optical radiation was calculated nW, which arrived at
Также можно выполнить оценку общих потерь, вносимых в однофотонные сигналы, генерируемые источником, на всем пути от выхода волокна, выводящего фотоны из источника, до сопряжения волокна с вводом в интерферометр 46, потери в этом интерферометре, сопряжении его выходов с волокнами, соединенными с детекторами 48. Для этой цели была измерена средняя скорость фотоотсчетов непосредственно на выходе волокна, выводящего фотоны из источника. Она составила МГц. Условия возбуждения источника были такими же, как и в эксперименте с интерферометром 46. Таким образом, оценка для потерь равна .It is also possible to evaluate the total losses introduced into single-photon signals generated by the source, all the way from the output of the fiber that outputs photons from the source, to the interface of the fiber with the input to the
Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность источников фотонов, использующих для возбуждения когерентное оптическое излучение. Эффективность увеличивается за счет снижения потерь, вносимых традиционными способами фильтрации когерентного излучения. Помимо этого, изобретение дает возможность выполнять фильтрацию когерентного излучения от фотонов, генерируемых множеством источников, одним устройством, что упрощает его подстройку. Также, преимуществом предложенного изобретения является возможность выполнения фильтрации когерентного излучения при резонансном способе возбуждения источников одиночных фотонов, когда поляризация этого излучения совпадает с поляризацией генерируемых фотонов, а их спектры длин волн перекрываются.Thus, the invention makes it possible to increase the efficiency of photon sources using coherent optical radiation for excitation. Efficiency is increased by reducing the losses introduced by traditional methods of filtering coherent radiation. In addition, the invention makes it possible to perform filtering of coherent radiation from photons generated by multiple sources with a single device, which simplifies its tuning. Also, the advantage of the proposed invention is the possibility of filtering coherent radiation with the resonant method of excitation of sources of single photons, when the polarization of this radiation coincides with the polarization of the generated photons, and their wavelength spectra overlap.
Claims (10)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2783222C1 true RU2783222C1 (en) | 2022-11-10 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105703211A (en) * | 2016-04-20 | 2016-06-22 | 北京信息科技大学 | Mach-Zehnder filtering structure based tunable fiber laser |
RU2723970C1 (en) * | 2019-08-30 | 2020-06-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | N-channel linear converter of electromagnetic signals and method of realizing multichannel linear conversion |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105703211A (en) * | 2016-04-20 | 2016-06-22 | 北京信息科技大学 | Mach-Zehnder filtering structure based tunable fiber laser |
RU2723970C1 (en) * | 2019-08-30 | 2020-06-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | N-channel linear converter of electromagnetic signals and method of realizing multichannel linear conversion |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11431418B2 (en) | System and method for quantum state measurement | |
US20210341815A1 (en) | Quantum Optical Wavelength Converter | |
Xu et al. | Photonic microwave true time delays for phased array antennas using a 49 GHz FSR integrated optical micro-comb source | |
US20240027872A1 (en) | Coupled resonator photon-pair sources | |
CA3139835C (en) | Apparatus and methods for gaussian boson sampling | |
Feng et al. | Progress on integrated quantum photonic sources with silicon | |
Matsuda et al. | Slow light enhanced correlated photon pair generation in photonic-crystal coupled-resonator optical waveguides | |
Buscaino et al. | Design of efficient resonator-enhanced electro-optic frequency comb generators | |
Matsuda et al. | On-chip generation and demultiplexing of quantum correlated photons using a silicon-silica monolithic photonic integration platform | |
Tan et al. | High bandwidth temporal RF photonic signal processing with Kerr micro-combs: integration, fractional differentiation and Hilbert transforms | |
Jiang et al. | Quantum storage of entangled photons at telecom wavelengths in a crystal | |
Tan et al. | RF photonic signal processing with Kerr micro-combs: integration, fractional differentiation and Hilbert transforms | |
Moss | Temporal RF photonic signal processing with Kerr micro-combs: Hilbert transforms, integration and fractional differentiation | |
RU2783222C1 (en) | Method for filtering photons from the residual radiation of coherent pumping | |
CN116430642A (en) | Generation of entangled photons in optical Bragg resonators | |
RU2814969C1 (en) | System and method for solving applied problems of materials science by interfacing quantum and classical devices | |
CN115621823A (en) | Optical resonance device for generating entangled photons | |
CN105259726A (en) | Device and method for generating multi-frequency-point two-component entangled light field through continuous wave laser | |
Wang et al. | Propagation characteristics of orbital angular momentum modes at 810 nm in step-index few-mode fibers | |
RU2806840C1 (en) | Quantum computing system based on photonic chips | |
RU2821360C1 (en) | Architecture of quantum computing devices for solving applied problems in field of materials science | |
Bharadwaj et al. | Interfacing quantum dots with laser-cooled atomic ensembles | |
RU2734454C1 (en) | N-channel linear converter of electromagnetic signals | |
Tan et al. | Microcombs for ultrahigh bandwidth optical data transmission and neural networks | |
Sharma et al. | Filter-free, Telecom-band, Heralded Single Photons from SOI Waveguides |