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 PDF

Info

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
Application number
RU2021139621A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Юрьевич Сайгин
Иван Викторович Дьяконов
Станислав Сергеевич Страупе
Сергей Павлович Кулик
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2783222C1 publication Critical patent/RU2783222C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: quantum optics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of quantum optics and quantum information and concerns a pumping filtration method for sources of quantum states. The method involves feeding 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 radiation source. Coherent pumping signals when using the continuous mode are formed with the same frequency spectrum and the same polarization, and when using the pulse mode, coherent pumping pulses of the same polarization form and with matching central frequencies of their spectrum are formed, which are fed synchronously to the N-channel interferometer. The transfer matrix U is designed with the ability to focus coherent pumping input signals, including residual coherent pumping signals from photon sources, to at least one output, and output part of the photons from photon sources to the remaining outputs.
EFFECT: reducing losses during filtration, providing the possibility of filtering photons generated by multiple sources by one device and the possibility of filtering radiation when the polarization of radiation coincides with the polarization of the generated photons.
7 cl, 9 dwg

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

Figure 00000001
сигналов когерентной накачки, поступающих на вход N-канального интерферометра, включая остаточные сигналы накачки от источников фотонов, на передаточную матрицу U дает заданный вектор амплитуд
Figure 00000002
, который содержит ненулевые элементы с индексами, соответствующими каналам, в которые осуществляется фокусировка когерентной накачки, а остальные элементы вектора
Figure 00000002
- нулевые:
Figure 00000003
The transfer matrix U is designed in such a way that the multiplication of the amplitude vector
Figure 00000001
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
Figure 00000002
, which contains nonzero elements with indices corresponding to the channels into which coherent pumping is focused, and the remaining elements of the vector
Figure 00000002
- null:
Figure 00000003

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 multichannel interferometer 5,

10 - множество выходов многоканального интерферометра 5,10 - multiple outputs of the multichannel interferometer 5,

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 multichannel interferometer 5,

16 - множество входов интерферометра 15,16 - many inputs of the interferometer 15,

17 - множество входов интерферометра 15, на которые поступает состояние фотонов 14, сгенерированное в интерферометре 5,17 - set of inputs of the interferometer 15, which receives the state of photons 14 generated in the interferometer 5,

18 - множество выходов интерферометра 15,18 - many outputs of the interferometer 15,

19 - множество каналов, в которое осуществляется вывод фотонов после интерферометра 15,19 - a set of channels into which photons are output after the interferometer 15,

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 interferometer 5, which is fed to the inputs of the interferometer 15,

21 - остаточная когерентная накачка на выходе 11 многоканального интерферометра 5 в схеме каскада из нескольких последовательно связанных интерферометров,21 - residual coherent pumping at output 11 of multichannel interferometer 5 in a cascade circuit of several series-connected interferometers,

22 - выход интерферометра 15, в который осуществляется фокусировка остаточной накачки,22 - output of the interferometer 15, into which the residual pumping is focused,

23 - импульс остаточной когерентной накачки, выходящий из выхода 22 интерферометра 15,23 - residual coherent pump pulse coming out of the output 22 of the interferometer 15,

24 - двухканальный делитель,24 - two-channel divider,

25 - входы делителя 24,25 - divider inputs 24,

26 - выходы делителя 24,26 - divider outputs 24,

27 - состояние на выходах делителя 24 в случае двух фотонов на его входе,27 - state at the outputs of the divider 24 in the case of two photons at its input,

28 - состояние на выходах делителя 24 в случае одного фотона на его входе,28 - state at the outputs of the divider 24 in the case of one photon at its input,

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 programmable blocks 36,

40 - варьируемые элементы сдвигов фаз в составе двухканальных программируемых блоков 36,40 - variable elements of phase shifts as part of two-channel programmable blocks 36,

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 - laser power splitter 43,

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 computer 49 controls the interferometer 46,

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 single photons 48 arrive at the computer 49,

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 laser 43 was started.

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:

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- число каналов преобразования,
Figure 00000006
- комплексные амплитуды когерентных сигналов, поступающие на вход преобразования,
Figure 00000007
- комплексные амплитуды преобразованных сигналов на выходе преобразования. Здесь индексы
Figure 00000008
и
Figure 00000009
принимают значения от 1 до
Figure 00000005
и обозначают номера канала, к которым относятся амплитуды. В (1) комплексные коэффициенты
Figure 00000010
формируют матрицу
Figure 00000011
размерности
Figure 00000012
, которая и определяет конкретное линейное преобразование. Выражение (1) может быть представлено в матричном виде: where
Figure 00000005
- number of conversion channels,
Figure 00000006
- complex amplitudes of coherent signals arriving at the input of the transformation,
Figure 00000007
- complex amplitudes of the converted signals at the conversion output. Here the indices
Figure 00000008
and
Figure 00000009
take values from 1 to
Figure 00000005
and denote the channel numbers to which the amplitudes belong. In (1) complex coefficients
Figure 00000010
form a matrix
Figure 00000011
dimensions
Figure 00000012
, which defines a specific linear transformation. Expression (1) can be represented in matrix form:

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
и
Figure 00000015
- столбцы, составленные из амплитуд сигналов на входе и выходе преобразования, соответственно. Число каналов преобразования
Figure 00000016
характеризует размерность преобразования.where
Figure 00000014
and
Figure 00000015
- columns composed of the amplitudes of the signals at the input and output of the transformation, respectively. Number of conversion channels
Figure 00000016
characterizes the dimension of the transformation.

Передаточной матрицей преобразования или просто матрицей преобразования называют матрицу

Figure 00000011
, 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
Figure 00000011
, 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

Figure 00000017
, либо же состояние бифотонов
Figure 00000018
. 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 time profile 2 arrives at the photon source 1, which excites the source. An excited source emits a light pulse with profile 3, which differs from coherent pumping in that its quantum state generally represents only one component with a certain number of photons or a superposition of a finite number of states with a certain number of photons. For example, depending on the type of source, either a single photon is generated
Figure 00000017
, or the state of biphotons
Figure 00000018
. Because In the general case, not all the pump energy is spent on excitation of the source; after interaction with the source, a coherent pulse with a time profile of 4 remains.

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

Figure 00000018
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 interferometer 5 is used to convert the coherent pumps and generated signals. A plurality of photon sources 6 are simultaneously excited by coherent pump pulses 7, as a result of which they generate signals in single-photon or bi-photon states
Figure 00000018
or other states of photons that differ from coherent ones (depending on the type of sources). The pulses generated in the sources, together with the residual pump pulses, arrive at a part of the inputs of the interferometer 5. After the sources are excited, the residual pump pulses and pulses of coherent signals 8 synchronous with them arrive at the inputs 9 of the interferometer 5. Together with the coherent radiation, the generated photons also arrive at the input of the interferometer 5 .

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 interferometer 5, one is chosen such that the total coherent pump power supplied to all input channels of the interferometer is focused into a subset of the set of output channels 10. Without loss of generality, the description of the operating principle of the present invention will be assumed that the interferometer 5 focuses the pump into one output channel. On FIG. 1b, the focusing channel is the first upper channel 11 with the temporal pump profile 12 emerging from it. pump and photons, pumping can be applied to channels that do not receive photons from sources. For these reasons, there is a significant likelihood of generating photon signals at the outputs 13 that are not pumped. That is, the converted signals 14 output from the channels 13 are not noisy by the coherent pump 12.

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 interferometer 15. Interferometer 15 performs the transformation of the filtered states of photons after the interferometer 5. Interferometer 15 has a plurality of input channels 16, some of which 17 receive filtered signals 14. The interferometer 15 performs state transformation photon signals 14, as a result of which, at its outputs 18, photon signals are converted into a form that may be more convenient for further applications. In particular, photons after the interferometer 15 can only be localized in a subset 19 of the set of output channels 18, which consists of a smaller number of channels than the original set of channels 13, the states of which are output after the filtering interferometer 5.

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

Figure 00000011
интерферометра, которая будет выполнять фокусирующее действие. Так, если амплитуды когерентных импульсов накачки на входе в интерферометр характеризуются столбцом комплексных чисел
Figure 00000019
, где
Figure 00000006
- комплексная амплитуда сигнала на входе в интерферометр с индексом
Figure 00000008
, а
Figure 00000020
означает транспонирование, то амплитуды когерентных сигналов на выходе из интерферометра задаются столбцом
Figure 00000003
. Для заданных амплитуд накачки на входе
Figure 00000001
(включающих как остаточные, так и дополнительные импульсы накачки) передаточная матрица интерферометра
Figure 00000011
, выполняющая фокусировку накачки в один выходной канал, например, с индексом
Figure 00000021
, 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 channels 13, which are used to obtain filtered photon states. It is known that for any configuration of amplitudes of coherent signals at the input to the interferometer, it is always possible to select the transfer matrix
Figure 00000011
interferometer, which will perform the focusing action. Thus, if the amplitudes of coherent pump pulses at the input to the interferometer are characterized by a column of complex numbers
Figure 00000019
, where
Figure 00000006
is the complex amplitude of the signal at the input to the interferometer with the index
Figure 00000008
, a
Figure 00000020
means transposition, then the amplitudes of coherent signals at the output of the interferometer are given by the column
Figure 00000003
. For given pump amplitudes at the input
Figure 00000001
(including both residual and additional pump pulses) interferometer transfer matrix
Figure 00000011
, which performs pump focusing into one output channel, for example, with the index
Figure 00000021
, is obtained by solving the equation:

Figure 00000022
Figure 00000022

где столбец

Figure 00000002
имеет только один ненулевой элемент с индексом m. Уравнение (3) всегда имеет решение для передаточной матрицы
Figure 00000011
. Таким образом, многоканальный интерферометр всегда можно настроить на фокусировку когерентных сигналов.where is the column
Figure 00000002
has only one nonzero element with index m. Equation (3) always has a solution for the transfer matrix
Figure 00000011
. 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:

Figure 00000023
(
Figure 00000024
). 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:
Figure 00000023
(
Figure 00000024
). In this case, focusing the entire pump power into one output channel is possible if the interferometer transfer matrix has the following elements:

Figure 00000025
Figure 00000025

(

Figure 00000026
,
Figure 00000027
) - 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
Figure 00000028
, можно рассчитать амплитуду на выходе 1-го канала интерферометра:
Figure 00000029
, тогда как на остальных выходных каналах
Figure 00000030
(
Figure 00000031
), подтверждая тем самым возможность фокусировки накачки. Таким образом, в этом примере, мощность накачки, поступающей на все входные каналы интерферометра с передаточной матрицей
Figure 00000032
, выходит из одного выходного канала.(
Figure 00000026
,
Figure 00000027
) 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, No 9, p. 2632-2635 (2020 ) ). Using Linear Transform
Figure 00000028
, we can calculate the amplitude at the output of the 1st channel of the interferometer:
Figure 00000029
, while on the other output channels
Figure 00000030
(
Figure 00000031
), thereby confirming the possibility of pump focusing. Thus, in this example, the pump power supplied to all input channels of the interferometer with a transfer matrix
Figure 00000032
, comes out of one output channel.

Распределение сгенерированных фотонов в выходных каналах интерферометра

Figure 00000032
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
Figure 00000032
, 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
Figure 00000009
, то состояние на выходе есть суперпозиция:Distribution of generated photons in the output channels of the interferometer
Figure 00000032
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
Figure 00000032
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
Figure 00000009
, then the output state is a superposition:

Figure 00000033
Figure 00000033

где

Figure 00000034
- квантовое состояние с одним фотоном в выходном канале с индексом
Figure 00000008
. В состоянии (5) вероятность появления фотона в каждом выходном канале равна
Figure 00000035
, а в вероятность появления фотона в состоянии 20 в оставшихся N-1 каналах (со 2-го по N-й) равна
Figure 00000036
. Т.е., имеется доля вероятности появления однофотонного импульса 21 в выходном канале 11, куда сфокусирована вся мощность накачки, равная
Figure 00000035
. 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
Figure 00000037
. Квантовое состояние фотона на выходе является смешанным и описывается оператором плотности:where
Figure 00000034
is a quantum state with one photon in the output channel with index
Figure 00000008
. In state (5), the probability of a photon appearing in each output channel is
Figure 00000035
, and in the probability of the appearance of a photon in state 20 in the remaining N-1 channels (from the 2nd to the Nth) is equal to
Figure 00000036
. That is, there is a fraction of the probability of the appearance of a single-photon pulse 21 in the output channel 11, where the entire pump power is focused, equal to
Figure 00000035
. Because component 21 is not used to prepare the quantum states of photons, then the case when a photon enters this channel is its loss, because pump-filtered are the states in the output channels from the 2nd to the nth. Thus, the probability of a single photon passing through the filtering interferometer is
Figure 00000037
. The quantum state of the photon at the output is mixed and is described by the density operator:

Figure 00000038
Figure 00000038

где

Figure 00000039
- состояние с 0 фотонов во всех каналах с индексами от 2 до N,
Figure 00000040
- 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
Figure 00000041
с вероятностью
Figure 00000042
; с вероятностью
Figure 00000043
в этих каналах фотона не будет.where
Figure 00000039
- state with 0 photons in all channels with indices from 2 to N,
Figure 00000040
- 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
Figure 00000041
with probability
Figure 00000042
; with probability
Figure 00000043
there will be no photon in these channels.

Для того, чтобы фотон в состоянии

Figure 00000041
, 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
Figure 00000044
интерферометра 15 таким образом, что она удовлетворяет уравнению:
Figure 00000045
, где
Figure 00000046
- столбец, составленный из коэффициентов разложения состояния
Figure 00000041
,
Figure 00000047
- 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
Figure 00000037
. Очевидно, что потери фотона в рассматриваемой схеме можно уменьшить (повысить вероятность прохождения фотона
Figure 00000042
), если увеличивать число каналов
Figure 00000005
интерферометра 5.In order for a photon to be in a state
Figure 00000041
, 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 interferometer 15 performs with the number of channels N-1. To do this, select the transfer matrix
Figure 00000044
interferometer
15 so that it satisfies the equation:
Figure 00000045
, where
Figure 00000046
- a column composed of the coefficients of the decomposition of the state
Figure 00000041
,
Figure 00000047
- a column that has all elements zero except for one, the index of which corresponds to the channel where the photon should be converted. On FIG. 3 photon is concentrated in one output channel 22. Thus, the momentum photon 3 from source 1 is converted into a momentum of photon 23 with a probability
Figure 00000037
. It is obvious that the loss of a photon in the scheme under consideration can be reduced (increase the probability of a photon passing through
Figure 00000042
), if you increase the number of channels
Figure 00000005
interferometer
5.

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

Figure 00000048
состояния
Figure 00000049
на выходных каналах When implementing the example, when more than 1 photon arrives at the input of the focusing interferometer 5, the probability distribution of possible photon configurations is not equally probable, as in the case of 1 photon - the configuration probabilities depend on the indices of the input channels to which these photons arrive. The probabilities of realizing different photon configurations at the output of the N-channel interferometer are reduced to calculating the probability amplitudes
Figure 00000048
states
Figure 00000049
on output channels

Figure 00000050
Figure 00000050

где

Figure 00000051
обозначает выходное состояние фотонов с распределением по каналам, задаваемым вектором
Figure 00000052
, где
Figure 00000053
- число фотонов в канале с индексом j, вектор
Figure 00000054
обозначает конфигурацию фотонов на входе в интерферометр:
Figure 00000055
. 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
Figure 00000056
. Амплитуды в состоянии
Figure 00000048
рассчитывают по формуле (S.Aaronson, A. Arkhipov, “Computational complexity of linear optics”, arxiv:1011.3245 (2010)): where
Figure 00000051
denotes the output state of photons with a distribution over channels given by the vector
Figure 00000052
, where
Figure 00000053
- number of photons in the channel with index j, vector
Figure 00000054
denotes the configuration of photons at the input to the interferometer:
Figure 00000055
. 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
Figure 00000056
. Amplitudes in state
Figure 00000048
calculated by the formula ( S.Aaronson, A. Arkhipov, “Computational complexity of linear optics”, arxiv:1011.3245 (2010) ):

Figure 00000057
Figure 00000057

где

Figure 00000058
- перманент матрицы
Figure 00000059
, которая получена из передаточной матрицы
Figure 00000011
интерферометра отбором строк и столбцов в соответствии с векторами
Figure 00000060
и
Figure 00000061
: строка с индексом j берется
Figure 00000053
число раз (если
Figure 00000062
, то она не берется), столбец с индексом I берется
Figure 00000063
число раз. Также в (8) введены обозначения для факториалов:
Figure 00000064
,
Figure 00000065
. Вероятность реализации конфигурации фотонов, описываемой вектором
Figure 00000060
, при входной конфигурации
Figure 00000061
, дается
Figure 00000066
.where
Figure 00000058
- matrix permanent
Figure 00000059
, which is obtained from the transfer matrix
Figure 00000011
interferometer by selecting rows and columns in accordance with the vectors
Figure 00000060
and
Figure 00000061
: the string with index j is taken
Figure 00000053
number of times (if
Figure 00000062
, then it is not taken), the column with index I is taken
Figure 00000063
number of times. Also in (8) the notation for factorials is introduced:
Figure 00000064
,
Figure 00000065
. The probability of realizing the photon configuration described by the vector
Figure 00000060
, with input configuration
Figure 00000061
, is given
Figure 00000066
.

Возможна реализация способа, когда на вход фокусирующего интерферометра с передаточной матрицей

Figure 00000032
поступает 2 фотона, по одному в каналы с индексами
Figure 00000009
и
Figure 00000067
(входное состояние:
Figure 00000068
, т.е.
Figure 00000069
, а остальные
Figure 00000070
). 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 transfer matrix
Figure 00000032
Figure 00000032
2 photons arrive, one at a time into the channels with indices
Figure 00000009
and
Figure 00000067
(input state:
Figure 00000068
, i.e.
Figure 00000069
, and the rest
Figure 00000070
). The set of possible photon states on the output channels is all combinations of 2 photons distributed over N channels. The calculation of the probabilities of photon configurations using formula (8) leads to the following expressions:

Figure 00000071
Figure 00000071

для конфигураций, содержащих фотоны в разных каналах с индексами

Figure 00000072
и
Figure 00000073
(
Figure 00000074
;
Figure 00000075
), и for configurations containing photons in different channels with indices
Figure 00000072
and
Figure 00000073
(
Figure 00000074
;
Figure 00000075
), and

Figure 00000076
Figure 00000076

для конфигураций с 2 фотонами в одном выходном канале с индексом

Figure 00000072
(
Figure 00000077
).for configurations with 2 photons in one output channel with index
Figure 00000072
(
Figure 00000077
).

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

Figure 00000078
. Вероятность потери сразу двух фотонов
Figure 00000079
.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
Figure 00000078
. The probability of losing two photons at once
Figure 00000079
.

Простейший случай, при котором работает предлагаемый способ, использует одиночный делитель с

Figure 00000080
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
Figure 00000080
spatial channels. Fig. 4 illustrates two circuits with the smallest possible number of sources and channels that use a two-channel divider 24. In general, the transfer matrix of the divider element becomes:

Figure 00000081
Figure 00000081

где угловой параметр

Figure 00000082
описывает его коэффициент прохождения по мощности
Figure 00000083
и коэффициент отражения
Figure 00000084
, а угловой параметр
Figure 00000085
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
Figure 00000086
и
Figure 00000087
, условие фокусировки в один канал принимает вид:
Figure 00000088
, которое разбивается на два уравнения:
Figure 00000089
и
Figure 00000090
. Решение уравнений всегда существует, если
Figure 00000091
и
Figure 00000092
. В рассматриваемом примере существует два способа выполнения фокусировки накачки. Во-первых, если амплитуды когерентных импульсов заданы и имеется возможность варьировать параметры делителя
Figure 00000082
и
Figure 00000085
, то их можно выбрать таким образом, чтобы удовлетворить условию фокусировки. Во-вторых, если заданы параметры делителя и
Figure 00000093
и имеется возможность управления мощностями и амплитудами накачек, то их можно подобрать таким образом, чтобы удовлетворить условию фокусировки.where is the angular parameter
Figure 00000082
describes its power transmission coefficient
Figure 00000083
and reflection coefficient
Figure 00000084
, and the angular parameter
Figure 00000085
describes the phase difference between input channels. Fig. 4a explains the conversion by the divider of two coherent pump pulses 4a and 4b, which arrive at its inputs 25. If the pump pulses arrive at the divider synchronously (in the same time window), their frequency spectra and polarizations coincide, then all their power can be focused into one of two output channels 26. Using (3) and denoting the amplitudes of coherent pulses through
Figure 00000086
and
Figure 00000087
, the condition of focusing into one channel takes the form:
Figure 00000088
, which breaks down into two equations:
Figure 00000089
and
Figure 00000090
. The solution of the equations always exists if
Figure 00000091
and
Figure 00000092
. In the example under consideration, there are two ways to perform pump focusing. First, if the amplitudes of coherent pulses are given and it is possible to vary the parameters of the divider
Figure 00000082
and
Figure 00000085
, then they can be chosen in such a way as to satisfy the focusing condition. Second, if the divisor parameters and
Figure 00000093
and it is possible to control the powers and amplitudes of the pumps, they can be chosen in such a way as to satisfy the focusing condition.

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 inputs 25 of the divider 24. If the photons are indistinguishable, i.e. have the same spectra, polarization and synchronously arrive at the inputs 25, then the state 27 at the outputs 26 can be calculated using formulas (8) and (11):

Figure 00000094
Figure 00000094

В (12) параметры делителя

Figure 00000082
и
Figure 00000085
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
Figure 00000082
and
Figure 00000085
is found from the condition of focusing pump pulses into the output channel with index 1. The quantum state of photons at the output of channel 2, in which there is no coherent pump pulse, is mixed and is given by the density operator:

Figure 00000095
Figure 00000095

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 index 2, which is described by the state ( 13 ), is equal to 1. Thus, in the simplest scheme shown in Fig. 4b, when filtering the residual coherent pump, half of the photons are lost.

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 inputs 25 of the divider 24 are supplied with one photon 3a from one source 1a. State 28 at the outputs of the divider 24 has the following form:

Figure 00000096
Figure 00000096

Вероятность обнаружить фотон в выходе с индексом 2 составляет

Figure 00000097
, таким образом, потери в случае, изображенном на Фиг. 4в, составляют
Figure 00000098
.The probability of finding a photon in the output with index 2 is
Figure 00000097
, thus the loss in the case shown in FIG. 4c, make up
Figure 00000098
.

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 programmable interferometer 5a focuses the coherent pump 4 arriving at its inputs into the output 11a. The remaining unfiltered pump coming out of the remaining outputs of interferometer 5a, together with the state of photons 14a, enters the inputs of the next interferometer 5b. In this case, the corresponding inputs of the interferometer 5b are connected to the outputs of the interferometer 5a. Interferometer 5b performs additional filtering of the coherent pump, which it focuses into output 11b. On each interferometer, the pump is filtered, which is not fed to the inputs of the following interferometers - filtered pump signals 12a, 12b, and 12c in FIG. 5. The scheme can include as many interferometers as necessary for an acceptable level of pump filtering, i.e. the power level of the coherent pump output from the last 5v interferometer must be much lower than the photon power in the 14v state. Cascade circuits consisting of several filtering interferometers can provide a better level of coherent pump filtering compared to circuits containing a single interferometer 5. For example, in the case when one interferometer does not allow a high level of filtering due to interferometer design limitations and / or alignment accuracy its parameters.

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:

Figure 00000099
, где
Figure 00000100
- центральная частота накачки, а
Figure 00000101
и
Figure 00000102
- 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:
Figure 00000099
, where
Figure 00000100
is the pump center frequency, and
Figure 00000101
and
Figure 00000102
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

Figure 00000103
и
Figure 00000104
и частоты генерируемых фотонов
Figure 00000101
и
Figure 00000102
удовлетворяют следующему соотношению:
Figure 00000105
. 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
Figure 00000103
and
Figure 00000104
and frequency of generated photons
Figure 00000101
and
Figure 00000102
satisfy the following relation:
Figure 00000105
. 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:

Figure 00000106
. На Фиг. 6г изображена диаграмма, соответствующая нерезонансному возбуждению источника одиночных фотонов. В таком случае
Figure 00000107
.In FIG. 6c is a diagram illustrating the relationship between the pump center frequency 34 and the generated photon 35 for single photon sources based on quantum emitters, such as quantum dots. Sources of this type can generate at most one photon at a time. The diagram illustrates the resonant method of source excitation, in which the center frequency of the generated photons coincides with the center frequency of coherent pumping:
Figure 00000106
. On FIG. 6d shows a diagram corresponding to non-resonant excitation of a source of single photons. In this case
Figure 00000107
.

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

Figure 00000005
, общее число двухканальных блоков в универсальных схемах, упомянутых выше, равно
Figure 00000108
. Кроме этого, схемы универсальных интерферометров содержат независимые
Figure 00000109
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
Figure 00000110
.The programmable interferometers 5 used in the invention for filtering the coherent pump may have different architectures. A universal method for implementing multichannel programmable interferometers by combining two-channel transformations with each other is known, proposed in the works of M. Rack et al., “Experimental implementation of any discrete unitary operator” // Phys. Rev. Lett. T. 73, No. 1, S. 58 (1994) and V.R. Clemens et al., “Optimal design of universal multiport interferometers” // Optica, vol. 3, no. 12, p. 1460 (2016). This method makes it possible to construct arbitrary linear transformations by connecting two-channel transformations to each other and by appropriate choice of the parameters of these two-channel transformations. The essence of the method lies in connecting one after another a plurality of transformation layers, each of which contains a plurality of two-channel blocks that operate independently of each other. Each of the two-channel blocks in the composition of a large multichannel interferometer can be controlled by setting the values of the phase shifts on the elements. Each of the blocks contains 2 elements of variable phase shifts. In the case when the number of channels in the interferometer is equal to
Figure 00000005
, the total number of two-channel blocks in the universal circuits mentioned above is
Figure 00000108
. In addition, the schemes of universal interferometers contain independent
Figure 00000109
phase shifts located immediately after inputs or before outputs to the interferometer. Thus, the total number of phase shift elements in universal interferometers should not be less than
Figure 00000110
.

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 inputs 9 of the interferometer. Transfer matrices of two-channel units 36 can be adjusted in such a way as to focus the entire power 38 of coherent signals into one output 11.

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-channel unit 36. The MZI consists of two static balanced dividers 39 and two variable phase shift elements 40. Setting the values of the phase shifts 40 determines the MZI transfer matrix. On FIG. 8b shows a diagram of the integrated optical implementation of the MCI, which performs the conversion between two spatial channels implemented in the form of two single-mode waveguides. In this implementation of the IMC, the elements of static dividers 39 are implemented in the form of directional dividers 41 - areas of convergence of two waveguides before the connection between them is realized (A. Snyder, J. Love "Theory of optical waveguides" // Radio and Communication 1987). Variable phase shift elements 40 are implemented in the form of integrated optical elements 42. The elements change the refractive index of the material near their location near the waveguide section in such a way that a phase shift is introduced in this section. For example, a thermo-optical, electro-optical, or piezo-optical phase shift element can be used.

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 (

Figure 00000111
), 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 (
Figure 00000111
), 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

Figure 00000011
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
Figure 00000011
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 outputs 11a, 11b, ... 11c.

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

Figure 00000112
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
Figure 00000112
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

Figure 00000113
, интерпретируется как сигнал в канале
Figure 00000113
, 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
Figure 00000113
, is interpreted as a signal in the channel
Figure 00000113
, 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

Figure 00000114
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 laser 43 generating pulses at a central wavelength of 918.8 nm with a duration of ~100 fs and a repetition rate
Figure 00000114
MHz, 2) a laser power splitter 44, which distributes coherent signals from the laser to 5 spatial channels, made in an integrated optical design, 3) a single photon source 45 based on a quantum dot, generating photons at a wavelength of 918.8 nm (central wavelength laser radiation was specially tuned for resonant excitation of the photon source), 4) a programmable 5-channel interferometer 46, made in an integrated optical design, 5) an optical radiation detector capable of detecting intense coherent laser signals 47, 6) 4 superconducting single photon detectors 48 , 7) computer 49, which controls the transformation of the 5-channel interferometer through electric lines 50 and processes the signals from the detectors that come to it through electric lines 51.

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 programmable interferometer 46, which performs filtering of the residual coherent pumping, an integrated optical chip was used, created using femtosecond laser printing technology, which makes it possible to manufacture both planar and three-dimensional integrated optical circuits. Details of the fabrication technology used can be found in IV Dyakonov et al., “Reconfigurable photonics on a glass chip,” Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018) . To create an integrated optical circuit chip, a quartz workpiece in the form of a rectangle with a length of 12 cm, a width of 5 cm and a thickness of 0.5 cm was used. Interferometer 46 had 5 channels, and its circuit was made with the mutual arrangement of elements shown in Fig. 7. Two-channel blocks of Mach-Zehnder interferometers 36 in the integrated optical circuit of the interferometer 46 are implemented according to the design shown in FIG. 8b, where directional splitters are implemented using waveguide convergence regions.

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 programmable interferometer chip 46, passive waveguide structures are created in the volume of the workpiece, forming a static optical circuit, which is a directional dividers connected to each other. The beginnings and ends of the waveguides are brought to the opposite ends of the glass blank to enable the introduction and removal of optical signals.

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 laser 43 between 5 spatial channels, an integrated optical chip of the splitter 44 was manufactured using femtosecond laser printing technology, the scheme of which is shown in Fig. 9b. To create an integrated splitter chip, a quartz billet in the form of a rectangle with a length of 12 cm, a width of 5 cm and a thickness of 0.5 cm was used. The splitter circuit consists of 5 waveguides and includes an area of convergence of these waveguides laser, which was fed to one waveguide and distributed between closely spaced waveguides. The beginning and end of one waveguide 53, into which radiation from the laser was fed, were brought to the opposite ends of the chip, while for the remaining waveguides only the output ends were brought to the end in order to output radiation from the chip. The input of pump radiation from the laser is carried out through an optical fiber. The output of the separated coherent radiation from the outputs of the splitter chip is also carried out through optical fibers. The distance between the waveguides in the coupling region and the length of the coupling region were selected in such a way as to realize a uniform distribution of the coherent pump power between the 5 output channels.

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 detector 47 was capable of detecting intense radiation from the laser. The electrical current from the detector is proportional to the measured power of the optical signal entering the detector. The 4 remaining detectors 48 had sensitivity at the level of single-photon signals. The arrival of one photon at the detector led to an electrical impulse, which arrived via one of the 4 electrical lines 51 to the computer 49. Superconducting detectors were used as detectors of single photons. The signals from the 4 outputs of the programmable interferometer were fed into the detectors. The detection efficiency for single photons was ~85%. Electrical signals from all 5 detectors were fed to a personal computer. The same computer controlled the programmable interferometer by setting the voltages on the thermo-optical elements to phase shifts. The computer program processed the signals coming to the computer from the detectors.

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

Figure 00000115
Гц, а мощность, поступающая на детектор 47, составляла
Figure 00000116
нВт.To demonstrate the operation of the claimed invention using the created installation, the interferometer 46 was first adjusted to “focus” the entire pump power into the output 47 with the photon source not working. To turn off the photon source, the central wavelength corresponding to the radiative transition of the source was tuned relative to 918.8 nm to the short-wavelength region, so that laser pumping could not excite the source. The wavelength detuning was made by local heating of the source, which was performed by applying voltage to a diode located next to it. The computer searched for the configuration of voltages applied to the phase shift elements in the interferometer 46, which corresponds to the maximum electric current coming from the detector 47. a fraction of the pump can still pass into the channels in front of the photon detectors 48 due to inaccurate tuning of the interferometer according to the signal from the detector 47, then more precise tuning of the interferometer 46 was carried out in order to improve the quality of the “focusing” of the pump power into the channel in front of the detector 47. For this, tuning was carried out phase shift voltage, which minimized the count rate from single photon detectors 48. As a result of adjustment, the photo count rate of detectors 48 was
Figure 00000115
Hz, and the power supplied to detector 47 was
Figure 00000116
nW.

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

Figure 00000117
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 single photon detectors 48, an increase in the photocount frequency (total frequency on all detectors 48) was observed, which amounted to ~220 kHz. Because Tuning the wavelength of the radiative transition, including a photon source, leads to the absorption of a photon from coherent pumping, and it could also be accompanied by a change in the optical properties of the microresonator and quantum dot, one more substring of the interferometer 46 was carried out. During tuning, the goal was to reduce the frequency of photocounts of photon detectors 48. After tuning, the photocount frequency decreased and amounted to
Figure 00000117
kHz.

На основе результатов эксперимента заявляемым способом в описанной выше реализации была проведена оценка величины коэффициента фильтрации. Был проведен расчет средней мощности оптического излучения

Figure 00000116
нВт., поступавшей на детектор 47, как мощности отфильтрованной накачки, а частоты фотоотсчетов
Figure 00000115
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:
Figure 00000118
, где
Figure 00000119
Дж*с - постоянная Планка,
Figure 00000120
м/с - скорость света в вакууме,
Figure 00000121
нм - длина волны накачки. Средняя мощность сфокусированного когерентного сигнала на детекторе 47 составила
Figure 00000122
1/c. Таким образом, оценка для коэффициента фильтрации накачки составила
Figure 00000123
. Здесь
Figure 00000124
- 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
Figure 00000116
nW, which arrived at detector 47, as the power of the filtered pump, and the photocount frequencies
Figure 00000115
Hz (obtained at the stage without a working photon source) as the frequency of counting photons of coherent radiation, which could not be filtered out by adjusting the conversion of interferometer 46. The radiation power was recalculated from units of W to units of photons/s:
Figure 00000118
, where
Figure 00000119
J * s - Planck's constant,
Figure 00000120
m/s is the speed of light in vacuum,
Figure 00000121
nm is the pump wavelength. The average power of the focused coherent signal at detector 47 was
Figure 00000122
1/c. Thus, the estimate for the pump filtering coefficient was
Figure 00000123
. Here
Figure 00000124
- efficiency of single photon detectors.

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

Figure 00000125
МГц. Условия возбуждения источника были такими же, как и в эксперименте с интерферометром 46. Таким образом, оценка для потерь равна
Figure 00000126
.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 interferometer 46, the losses in this interferometer, the interface of its outputs with fibers connected to the detectors 48. For this purpose, the average rate of photocounts was measured directly at the exit of the fiber that extracts photons from the source. She made
Figure 00000125
MHz. The source excitation conditions were the same as in the experiment with the interferometer.46 Thus, the loss estimate is
Figure 00000126
.

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)

1. Способ фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающий:1. Pump filtering method for sources of quantum states, including: - 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, - 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 radiation source, 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;at the same time, 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; 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 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. 2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что 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;2. The method according to claim 1, characterized in that at least one of the remaining inputs of the N-channel interferometer is supplied with a coherent pumping signal from at least one laser radiation source, while using the pulsed mode, the pulses coherent pumping is fed to the N-channel interferometer synchronously, including residual coherent pumping pulses from photon sources; 3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что передаточная матрица U выполнена таким образом, что умножение вектора амплитуд
Figure 00000127
сигналов когерентной накачки, поступающих на вход N-канального интерферометра, включая остаточные сигналы накачки от источников фотонов, на передаточную матрицу U даёт заданный вектор амплитуд
Figure 00000128
который содержит ненулевые элементы с индексами, соответствующими каналам, в которые осуществляется фокусировка сигнала когерентной накачки, а остальные элементы вектора
Figure 00000129
– нулевые:
Figure 00000130
3. The method according to claim 1, characterized in that the transfer matrix U is designed in such a way that the multiplication of the amplitude vector
Figure 00000127
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 the given amplitude vector
Figure 00000128
which contains nonzero elements with indices corresponding to the channels into which the coherent pump signal is focused, and the remaining elements of the vector
Figure 00000129
- null:
Figure 00000130
4. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что 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.4. The method according to claim 3, characterized in that the focusing of the coherent pump signal is carried out in a subset of outputs, consisting of K outputs of the N-channel interferometer, by varying the phase shift elements until the maximum power measured in this subset of outputs is reached. 5. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что фокусировку сигнала когерентной накачки проводят посредством варьирования параметров делителей, входящих в состав N-канального интерферометра, или варьированием амплитуд сигналов когерентных накачек на входе в N-канальный интерферометр. 5. The method according to claim 3, characterized in that the focusing of the coherent pump signal is carried out by varying the parameters of the dividers that make up the N-channel interferometer, or by varying the amplitudes of the coherent pump signals at the input to the N-channel interferometer. 6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что 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.6. The method according to claim 1, characterized in that the output signals from the photon sources that have passed through the N-channel interferometer and containing photons from the 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. 7. Система для фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающая, 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 способом по п. 1, и детекторы, установленные на выходах N-канального интерферометра, при этом количество детекторов соответствует количеству выходов K, в которые осуществляют фокусировку когерентной накачки.7. A pump filtering system for sources of quantum states, 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 signals of coherent pumping by the method according to claim 1, and detectors installed at the outputs of the N-channel interferometer, while the number of detectors corresponds to the number of outputs K, into which the coherent pumping is focused.
RU2021139621A 2021-12-29 Method for filtering photons from the residual radiation of coherent pumping RU2783222C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2783222C1 true RU2783222C1 (en) 2022-11-10

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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