WO2021086236A1 - Laboratory bench for teaching and research in quantum optics and quantum information science - Google Patents

Laboratory bench for teaching and research in quantum optics and quantum information science Download PDF

Info

Publication number
WO2021086236A1
WO2021086236A1 PCT/RU2020/050310 RU2020050310W WO2021086236A1 WO 2021086236 A1 WO2021086236 A1 WO 2021086236A1 RU 2020050310 W RU2020050310 W RU 2020050310W WO 2021086236 A1 WO2021086236 A1 WO 2021086236A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
educational
stand according
polarization
scientific laboratory
Prior art date
Application number
PCT/RU2020/050310
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Константин Григорьевич КАТАМАДЗЕ
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова"
Publication of WO2021086236A1 publication Critical patent/WO2021086236A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/06Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G09B23/22Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for optics
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70Photonic quantum communication

Definitions

  • the invention relates to the field of physics, namely to optics and quantum physics, and can be used to practice practical skills in the implementation of processes used in technologies of quantum communications and quantum computing, including, but not limited to, conducting the following studies: polarization and correlation properties of single-photon , biphotonic, coherent and thermal light fields, Hong-Ou-Mandel interference, and homodyne detection.
  • quantum physics One of the most difficult and at the same time demanded in the modern world section of physics is quantum physics. Its relevance is due to the development of quantum (especially quantum information) technologies. At the same time, the complexity of understanding the processes of quantum physics is due to the fact that its basic principles contradict the available experience, and therefore only practical experience with quantum systems can give a complete understanding of the laws of quantum physics.
  • the setup consists of a narrow-band pump laser at a wavelength of 408 nm, optically coupled to a polarization pump controller, consisting of two phase plates (half-wave and quarter-wave at the pump wavelength), coupled by optical coupling to a pair of crossed type I nonlinear crystals, in which generation occurs biphoton field in the noncollinear mode, when one photon propagates along channel 1, and the second along channel 2.
  • a polarization pump controller is located, also consisting of two phase plates (half-wave and quarter-wave at double the pump wavelength) and along the polarization beam splitter ( Wolaston prism).
  • Each beam splitter divides each of the channels into 2.
  • 4 optical channels are formed, each of which is optically connected to a single-photon detector. All 4 detectors are also configured to be electrically connected to the pulse correlator.
  • a technical problem is the development of a stand (workshop) in the form of a single modular system that allows you to implement all the above tasks with the possibility of automating the experiment and remote access to the installation.
  • the technical result achieved by the claimed invention is the ability to solve key problems of quantum optics and quantum informatics, including:
  • the stand allows carrying out model experiments of quantum physics with high accuracy and reproducibility of results while ensuring the convenience of research and implementation of experiments.
  • the technical result is achieved by creating an educational and scientific laboratory stand for researching the polarization and correlation properties of single-photon, biphoton, coherent and thermal light fields, Hong-Oy-Mandel interference, and homodyne detection, including a pump laser module located on the optical table in series with optical communication , a biphoton source module, polarization measurement modules in channels A and B, a correlation measurement module configured to connect to a data recording and analysis device (computer), as well as a source of coherent and thermal states and a homodyne detection module, where the source module is coherent and thermal states is designed to be connected by optical communication either with the modules of polarization measurements in channels A and B, or with the module homodyne detection, and the homodyne detection module is configured to connect to a data recording and analysis device (computer), while the pump laser module contains a laser with a current and temperature controller, the biphoton source module contains a polarization controller for biphoton radiation on one optical path (controller of the polarization state pumping or polar
  • the biphoton radiation polarization controller in the biphoton source module and polarization measurement modules consists of sequentially located half-wave and quarter-wave phase plates installed in rotating slides.
  • the phase plates of the polarization controller in the biphoton source module are designed for the pump laser wavelength, and the phase plates Polarization controller plates in polarization measurement modules - twice the wavelength.
  • the biphoton radiation polarization controllers in the biphoton source module and polarization measurement modules are made on rotating slides (around the optical axis) with the ability to connect to a computer and automatically adjust the angle of rotation of the slides.
  • Optical fiber can be used as an optical link connecting the modules.
  • the laser in the pump laser module is a laser diode installed in a collimation tube with the possibility of temperature stabilization by using a Peltier element connected to a current and temperature controller.
  • the pump laser module contains a coupler - a device for input / output of radiation into the optical fiber, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the optical fiber is located for communication with the adjacent module.
  • the pump laser module includes an optical isolator located between the laser and the coupler to prevent reflected radiation from returning to the laser.
  • An embodiment of the pump laser module is possible, according to which a pair of prisms is installed between the laser and the coupler, made with the possibility of adjusting the shape of the beam to effectively introduce radiation into the fiber.
  • the laser diode in the pump laser module can be configured to operate at a wavelength of 400-410 nm and has a line width of no more than 1 GHz.
  • the laser diode contains an embedded high-Q (eg, Bragg) resonator.
  • the pump laser module comprises a diffraction grating coupled to the laser diode by optical coupling to provide the required spectral width and serves as an external resonator mirror.
  • the module of the source of biphotons from the input side contains a coupler, in the focal plane of the lens of which the end of the optical fiber is located for connection with the pumping module, and is configured to connect to polarization measurement modules in channels A and B also using another coupler, which is configured to be connected to the module a source of coherent and thermal states (i.e. the second coupler is not included in the design of this module, acts as a separate element connections / connections of the mentioned modules).
  • the frequency filter in the biphotone source module can be made for a wavelength of 405 nm with antireflection in the range of 400-410 nm.
  • the nonlinear crystals in the biphoton source module are made taking into account crystallographic axes for degenerate phase matching of type I for the pump wavelength with orthogonally oriented optical axes.
  • the biphoton source module contains a pumping frequency filter and a lens installed after the pumping frequency filter and in front of the nonlinear crystals so that the crystals are in its focus, while the lens is made with an antireflection coating at the pumping wavelength.
  • the biphoton source module contains a second lens installed behind the nonlinear crystals and a second frequency filter installed behind the second lens, while the second lens is installed so that the crystals are in its focus, and is made with an antireflection coating on a double pump wavelength, and the second frequency filter is made to transmit biphotons radiation at the double pump wavelength, but does not transmit radiation at the pump wavelength.
  • the laser of the module of the source of coherent and thermal states is connected to the beam splitter using an optical fiber, has a fiber output, its spectrum width does not exceed 1 MHz, and the center wavelength is equal to twice the pump laser wavelength.
  • the matt disk of the module of the source of coherent and thermal states is connected to the output of the beam splitter and to the output optical fiber by means of couplers.
  • the matt disk of the module of the source of coherent and thermal states is made with the possibility of connecting to a computer and adjusting the rotation speed, including full stop.
  • connection of the biphoton source module and the coherent and thermal state source module to the polarization measurement modules in channels A and B is realized by means of a beam splitting plate having two inputs and two outputs, one of the inputs is connected to the output of the biphoton source module, the second input is connected to the output of the module source of coherent and thermal states through the coupler, and the outputs of the beam splitting plate are optically connected to the inputs of the polarization measurement modules in channels A and B.
  • Modules for polarization measurements in channels A and B contain couplers located at the output of the modules, through which a fiber-optic connection with the correlation measurement module is realized, while in front of the couplers Narrow-band frequency filters with a transmission range of 10-40 nm are installed, the center of the transmission range of which coincides with the doubled wavelength of the pump laser.
  • One of the couplers of the polarization measurement module in channel A is installed on a translational slide made with the ability to change the distance between it and the polarization filter and / or beam splitter, while the translational slide can be connected to a computer.
  • the correlation measurement module contains four single-photon detectors, the optical inputs of which are connected to the optical outputs of the polarization measurement modules, while two of the four detectors are connected to the outputs of channels A and B through a symmetric (single-mode) fiber-optic beam splitter.
  • the pulse correlator is configured to count the number of photocounts for each channel, as well as measure the number of coincidences of photocounts between any two channels and measure the histogram of the delay times between pulses traveling along any of the two channels.
  • the homodyne detection module is equipped on the input side with couplers for connection by means of optical fibers to the module of the source of coherent and thermal states.
  • the polarization controller in the homodyne detection module is made in the form of a half-wave phase plate for twice the pump wavelength.
  • the homodyne detection module also contains an analog-to-digital converter (ADC) unit connected to the light detectors and adapted to be connected to a computer.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the light detectors in the homodyne detection module are made in the form of a single module that includes a differential photocurrent amplifier.
  • a mirror in front of the first polarizing beam splitter of the homodyne detection module, a mirror is installed on a precision piezo-slider connected to a sawtooth signal source; and a long-focus lens is installed in front of the second polarizing beam splitter of the homodyne detection module, with the detectors located from the lens at its focal length.
  • the educational and scientific laboratory stand contains a computer connected to the stand modules, made with the possibility of remotely connecting another computer with the possibility of remote control of all the stand modules.
  • the claimed invention for fiber-optic connection of modules, it is preferable to use kaylers - devices for input / output of radiation into an optical fiber, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the fiber is located.
  • the pump laser module is a current and temperature controller 1 a connected to a laser diode 1 installed in a collimation tube in thermal contact with a Peltier element, also connected to a current and temperature controller.
  • the laser diode 1 is optically connected to an optical isolator 3, which is then connected to a module for input / output of radiation into an optical fiber (coupler) 47, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the optical fiber 5 a is located.
  • Laser diode 1 in the pump laser module operates at a wavelength of 400-410 nm and has a line width of no more than 1 GHz.
  • a laser diode with a built-in high-Q (for example, Bragg) resonator is used as a laser diode 1
  • a diffraction grating 2 is installed in the optical connection connecting the laser diode 1 with the optical isolator 3.
  • a pair of prisms that correct the beam shape can be placed in the optical link connecting the optical isolator 3 with the optical fiber.
  • the biphoton source module consists of a coupler 48, in the focal plane of the lens of which the end of the optical fiber 5b is located, which is optically connected to a polarizer 12, which is optically coupled to a half-wave phase plate 13, designed for a wavelength of 405 nm and antireflection in the range of 400-410 nm, connected optical communication with a quarter-wave phase plate 14, designed for a wavelength of 405 nm and antireflection in the range of 400-410 nm, coupled by optical communication with a spectral filter 15 that transmits radiation in the range of 400-410 nm, coupled by optical communication with a lens 17, in the focus of which there is a pair of nonlinear crystals 18 cut under degenerate phase-matching of type I for the pump wavelength, the optical axes of which are oriented orthogonally.
  • the crystal is connected by one optical connection with the lens 19 connected to the spectral filter 20, blocking radiation at a wavelength of 400-410 nm and transmitting at a wavelength of 800-820 nm, connected to the input of a symmetric non-polarization beam splitter 21, the outputs of which are optically connected to the polarization measurement modules in channels A and B.
  • the other input of the beam splitter 21 is optically connected to the coupler 53 in the focal plane of the lens of which the end of the fiber 11 is installed, the other end of which can be connected to the module source of coherent and thermal states.
  • the crystal is connected by one optical connection with a lens connected to a spectral filter that blocks radiation at a wavelength of 400-410 nm and transmits at a wavelength of 800-820 nm, connected by optical communication with the polarization measurement module in channel A, and another optical communication with a lens connected to a spectral filter blocking radiation at a wavelength of 400-410 nm and transmitting at a wavelength of 800 - 820 nm, connected by optical communication with a polarization module measurements in channel B.
  • the coupler 53 is optically connected to nonlinear crystals 18 located on the same optical axis with the coupling between the crystals and one of the polarization measurement modules.
  • Phase plates 13, 14 are installed in rotating slides with the ability to connect to a control device (computer).
  • the module of the source of coherent and thermal states consists of a narrow-band laser diode 6 with a fiber output, a spectrum width of no more than 1 MHz and a center wavelength twice as long as the wavelength of a pump laser connected by an optical fiber to a fiber beam splitter 7, the first fiber output of which 9 has the ability connection to the homodyne detection module, and the end of the fiber of the second output 9a is at the focus of the lens of the fiber coupler 54, optically connected to the rotating matt disk 10, which is optically coupled to the coupler 55, in the focal plane of the lens of which the end of the fiber 11 is located, the second end of which is has the ability to connect to polarization measurement modules in channels A and B.
  • connection of the source of biphotons and the source of coherent and thermal states to the modules of polarization measurements in channels A and B is provided as follows: the output connector of the optical fiber of the source of coherent and thermal states is connected to optical fiber 11, the second end of which is at the focus of the lens of the coupler 53, which is optically connected to the input symmetric beam splitter 21.
  • the second input of the beam splitter is optically connected to the output of the biphoton source.
  • the outputs of the beam splitter are optically connected to the inputs of the polarization measurement modules in channels A and B.
  • the input of the polarization measurement module in channel A is optically connected to a half-wave plate 22 at 810 nm with an antireflection coating for the 800-820 nm range, installed in a rotating slide connected by optical coupling to a quarter-wave plate 23 at 810 nm with an antireflection coating for the range 800-820 nm, installed in a rotating slide, optically coupled to a half-wave plate 24 at 810 nm with an antireflection coating for the range of 800-820 nm, installed in a rotating slide, connected by optical communication with a quarter-wave plate 25 at 810 nm with an antireflection coating for a range of 800-820 nm, installed in a rotating slider, optically connected to a polarizing beam splitter 30, one of the outputs of which is optically connected to an interference filter 40a, which transmits radiation only in the 800-820 nm range, optically connected to a coupler 49, in the focus of the lens of which an optical fiber is located 32 s
  • Phase plates 22-25 are installed in rotating slides with the ability to connect to a control device (computer).
  • the input of the polarization measurement module in channel A is optically connected to a half-wave plate 26 at 810 nm with an antireflection coating for the 800-820 nm range, installed in a rotating slide connected by optical coupling to a quarter-wave plate 27 at 810 nm with an antireflection coating for the range 800-820 nm, installed in a rotating slide, optically connected to a half-wave plate 28 at 810 nm with an antireflection coating for the range of 800-820 nm, installed in a rotating slide, connected by optical communication to a quarter-wave plate 29 at 810 nm with an antireflection coating for a range of 800-820 nm installed in a rotating slider, optically connected to a polarizing beam splitter 31, one of the outputs of which is optically connected to an interference filter 41 that transmits radiation only in the 800-820 nm range, optically connected to
  • the correlation measurement module consists of four single-photon detectors 36-39, the optical inputs of which are connected to the outputs of the optical fibers of the polarization measurement modules 35-32, respectively.
  • fibers 34, 33 are connected to detectors 37, 38 through a fiber beam splitter 44.
  • the electronic outputs of detectors 36-39 are optically connected to a pulse correlator 45, which has the function of counting the number of photocounts for each channel, as well as measuring the number of coincidences of photocounts between any two channels and measuring the histogram of the delay times between pulses traveling along any of the two channels.
  • the correlator output can be connected to a data analysis and processing device (computer) 46.
  • the homodyne detection module consists of optical fibers 63, 64, the inputs of which can be connected to the outputs of optical fibers 9 and 11 of a source of coherent and thermal states.
  • the second ends of the fibers 63, 64 are located in the focal planes of the lenses of the kaylers 56, 57, which are optically connected to the inputs of the polarizing beam splitter 58, the output of which is optically connected to a half-wave plate 59 at 810 nm with an antireflection coating for the 800-820 nm range installed in a rotating slide, optically connected to the lens 60, optically connected to a polarizing beam splitter 61, the outputs of which are connected to the inputs of the balanced detector 62, configured to measure the signal intensities in each channel separately and the intensity difference between the channels.
  • ADC analog-to-digital converter 66
  • a feature of the claimed invention is that the coupler 50, which introduces radiation into the optical fiber, connected to one of the detectors of the correlation measurement module, can be installed on the translational slide, and two detectors can be connected to optical channels through a beam splitter, which makes it possible to observe the Hong-Oy interference -Mandel (task 8).
  • the coupler 50 which introduces radiation into the optical fiber, connected to one of the detectors of the correlation measurement module, can be installed on the translational slide, and two detectors can be connected to optical channels through a beam splitter, which makes it possible to observe the Hong-Oy interference -Mandel (task 8).
  • not one, but two polarization converters are installed in each channel, which makes it possible to prepare and measure any one-photon and biphoton quantum states, which makes it possible to fully implement Problems 2, 3, 6.
  • the pump source for the process of spontaneous parametric scattering is a laser diode 1 emitting at a wavelength of 400-410 nm.
  • the diode current and temperature are stabilized by controller 1a.
  • the zero-order maximum is reflected from the grating and enters the optical isolator 3, which protects the laser diode from back illumination, and a pair of anamorphic prisms 4, which convert the elliptical section of the beam into a circular one.
  • the pump radiation is introduced into the optical fiber 5a. All optical fibers used are single-mode and polarization-retaining.
  • the system contains a source of coherent and thermal states of light. It is based on a diode laser 6 with a fiber optic output for radiation with a wavelength of 810 nm. The current and temperature of the laser diode are also stabilized by the controller 6a.
  • This radiation is divided by a fiber beam splitter 7 into two parts: the first, coherent, is transmitted into fiber 9, and the second is focused on the rotating matt disk 10 and, after dephasing, enters fiber 11.
  • coherent and thermal states are output through fiber 9 a powerful coherent state used as a homodyne, and at the output of fiber 11 - a thermal state if the matt disk rotates, and a weakened coherent state if the disk is stopped.
  • the pump laser radiation is extracted from fiber 5b, collimated by a coupler lens 48, passed sequentially through polarizer 12, a pair of phase plates (quarter-wave plate 14 and half-wave plate 13 oriented at angles f and q p to the vertical, respectively), which set the polarization state of the pump , a narrow-band filter 15 that transmits the laser radiation line, and then is focused by a lens 17 on an assembly 18 of two nonlinear BiBO crystals with a thickness of 0.5 mm.
  • the crystals are cut at an angle of collinear degenerate phase-matching of type I, their axes are rotated so that in the first crystal, under the action of vertically polarized pumping, pairs of photons with a horizontal polarization plane HH are produced, and in the second, on the contrary, under the action of horizontally polarized pumping, pairs of vertically polarized photons
  • the quantum state of biphotons at the output has the form with hn ⁇ HH + C yy ⁇ w), for which the amplitude ratio of the modules
  • the radiation generated in the crystals 18, containing biphotons, is collimated by the lens 19, and the pump radiation is absorbed by the filter 20. Then, the radiation of the biphotons is divided by a beam splitter 21 (insensitive to polarization) into two channels "A" and "B". It should be noted that in this case, with a probability of 1/2, the photons will not split and leave in one channel, but by highlighting the cases when one photon is recorded in each of the channels, it is possible to cut off the cases when the photons did not split. In some problems, instead of emitting biphotons, coherent and thermal states of light are used, which enter the system through optical fiber 11, are collimated by the lens of the kayler 53 and are fed to the second input of the beam splitter 21.
  • Each channel has a pair of phase plates (quarter-wave 23, 27 and half-wave 22, 26, set at angles f Al , f m , q A1 and q m , respectively), which together with the plates controlling the pumping (13 and 14) allow prepare an arbitrary pure polarization state of a biphoton of the form c HH ⁇ H) A ⁇ H) B + c HV ⁇ H) A ⁇ v) B + C yH ⁇ v) A ⁇ H) B + C yV ⁇ v) A ⁇ v) B ...
  • each channel is set by another pair of plates (quarter-wave 25, 29 and half-wave 24, 28, mounted at angles f A2 / B2, q A2 and q B2, sotvetstvenno) and polarizing beam splitters 30, 31, skipping vertically polarized photons, and reflective horizontally polarized.
  • the angles of rotation of the phase plates determine the measuring basis, that is, the type of measurement operators and l 1v in each D ° m channel.
  • the radiation is focused by couplers 49-52 into fibers 32-35 connected to single-photon detectors 39-36.
  • narrow-band filters 40, 40a, 41, 42 are installed, which transmit the radiation of biphotons, as well as thermal and coherent states of light at a wavelength of 810 nm, and cut off the illumination.
  • the coupler 50 which focuses the radiation into the fiber 33, is mounted on the translational slide 43, which makes it possible to measure the Mandel dip.
  • fibers 33 and 34 are connected to detectors 37 and 38 through a fiber beam splitter 44. All detectors are connected to correlator 45, which allows registering the number of photocounts in each channel and the number of matches between any pair of channels. The result is sent to the computer.
  • the positions of all phase plates, as well as translational shifts 43 are set from a computer.
  • the fibers of the source of coherent and thermal states 9 and 11 are connected to fibers 63 and 64 of the homodyne detection module.
  • the polarization-retaining fibers 9, 11, 63, 64 are oriented such that the output radiation collimated by the droppers 56 and 57 is orthogonally polarized.
  • the homodyne radiation propagating along the fibers 9 and 63 and the radiation of the investigated field propagating along the fibers 11 and 64 are knocked down on the polarizing beam splitter 58 into one spatial mode, then they are rotated from polarization by 45 degrees by a half-wave plate 59, and are again divided symmetrically into two channels polarizing beam splitter 61, each of which is focused with a lens 60 into the optical input of the balanced detector 62, which measures the intensity difference in the input channels.
  • a mirror on the piezo-slider 63 is installed in the optical channel between the coupler 57 and the beam splitter 58. 1.
  • the problem of verifying the violation of Bell's inequality is solved as follows.
  • H> B ⁇ l ⁇ l ') ") / ⁇ 2 and TM l Y 0 (HJ l I F ) J") s ) / 2 . Then determine two sets of angles of the measuring phase plates / A A 1 , / ⁇ ' 2 21 , SC 2) and Chv? > For which the value of the Bell variable y takes the maximum value. Then the Bell variable is measured and the statistical error of the measurement result is estimated. It is important to make sure that 2.
  • the angles of rotation of the control phase plates /, q p , f Al , f m , q A1 and q m are set in such a way that the generation of biphotons occurs in the factorized state: ⁇ n A ⁇ n c.
  • the photon in the "A" channel is used as a trigger, and in the "B" channel - for the tomography of the quantum process.
  • the quantum process is realized with some polarizing element installed between phase plates 27 and 28.
  • For imaging quantum process a set of input prepared quantum states (by selecting different angles f m and q B1), and produce a set of measurements (by selecting different angles f c2 and q B2) for each output condition.
  • the measurement results are written to a file, and then the unitary matrix, or chi-matrix, describing the quantum process, is reconstructed.
  • Protocol BB84 (version 1).
  • the angles of rotation of the control phase plates /, q, f Al , f t , q A1 and q B1 are set in such a way that the generation of biphotons occurs in the factorized state: ⁇ n A ⁇ n c. Photon in the channel
  • A is used as a trigger, and in channel "B" - for key transmission.
  • Alice prepares a quantum state of a photon, by setting the angles / m and q B1, and Bob chooses a measuring basis, setting position and the plates f c2 q B2.
  • a sequence of random key bits, a sequence of Alice's bases and a sequence of Bob's bases are generated in advance.
  • the key is transferred, the data is written to a file. Analyze the data obtained: sifting the key, analyzing the percentage of errors.
  • you can implement other one-pass protocols, for example, B92.
  • Protocol BB84 (version 2).
  • Alice's station is answered by channel "A”
  • Bob's station is answered by channel "B”.
  • Alice and Bob measuring bases are randomly selected, and measurements are carried out.
  • the measurement results are written to a file and analyzed in the same way as it was done in the previous paragraph.
  • Other single-pass protocols can be implemented in the same way.
  • the measurement of the autocorrelation function is carried out using two detectors.
  • the angles of the phase plates f Al , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detectors 38 and 39 is the same.
  • the signals from these detectors are sent to the start-stop circuit, the stop events pass through the electronic delay line, and the histogram of the times between the start and stop events is measured.
  • the angles of the phase plates f Al , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the average number of photons over a fixed accumulation time recorded by the detector 38 is 0.1.
  • the correlator uses two start-stop circuits simultaneously. A periodic signal with a period of 1-10 ms is supplied to the "start" input of both circuits. Pulses from detector 39 are fed to the stop input of one circuit, and pulses from detector 38 are fed to the other. A set of measurements of the number of photocounts of each of the detectors is made for a certain fixed accumulation time determined by the coincidence circuit window.
  • a histogram of the number of photocounts of the detector 39 is plotted, corresponding to the initial distribution by the number of photons, and a histogram of the photocounts of the DAH detector, provided that one photon is detected by the detector 38, a conditional distribution corresponding to the splitting off of one photon. It can be shown that for a coherent state, the splitting off of a photon does not affect the form of the distribution.
  • the angles of the phase plates / Al , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the average number of photons for a fixed accumulation time is less than the correlation time recorded by the detector 38 was 0, 1.
  • Two start-stop circuits are used simultaneously in the correlator. A periodic signal with a period of 1-10 ms is supplied to the "start" input of both circuits. Pulses from detector 39 are fed to the stop input of one circuit, and the other - pulses from the detector 38. A set of measurements of the number of photocounts of each of the detectors is made for a certain fixed accumulation time determined by the coincidence circuit window.
  • a histogram of the number of photocounts of the detector 39 is constructed, corresponding to the initial distribution by the number of photons, and a histogram of the photocounts of the detector 39, subject to the registration of one photon by the detector 38, a conditional distribution corresponding to the splitting off of one photon. It can be shown that for the thermal state, the splitting off of photons significantly changes the shape of the distribution and doubles the average value.
  • quantum processes are fundamentally non-deterministic, it is the quantum random number generator that will be maximally protected from possible prediction of its outcomes.
  • This scheme allows many different quantum random number generators to be implemented. They are based on the properties of coherent radiation.
  • the pump laser is turned off (blocked), the coherent state of light from the red laser is fed to the input of the system. 1.
  • the angles of the phase plates / A1 , q A1 , f A2 , q A2 , f m , q m , f B2 , q B2 , are set so that the count rate of all four detectors is the same.
  • Two bits of information are generated in one clock cycle. In each cycle, the measurement continues until at least one photon is registered by any of the four detectors. Then, depending on which detector triggered, record a number from 0 to 3. Measurements are repeated until a sufficiently large sequence of random numbers is generated. Then this sequence is written to a file, post-processed and verified.
  • the angles of the phase plates / A1 , q Al , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detector 39 is maximum.
  • the signals from this detector are sent to the start-stop circuit, thus measuring the times between adjacent pulses.
  • the sequence of these times also plays the role of a sequence of random numbers. Then this sequence is written to a file, post-processed and verified.
  • A) (I H) -
  • the source of thermal and coherent states is connected to the homodyne detection module. Investigate the dependence of the difference intensity recorded by the detector 62 on time and on the homodyne phase as a function of the rotational speed of the matt 10.
  • lens 19 flat-curved with antireflection coating at 805-815 nm, focal length 40 mm
  • the developed educational and scientific laboratory stand provides the ability to solve all the above problems of quantum physics.
  • the inventive stand can be used to teach university students, employees of educational institutions, scientific organizations and industrial companies the basics of implementing optical circuits used in quantum communications and quantum computing technologies.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of optics and quantum physics and concerns a teaching and research laboratory bench for studying the polarization and correlation properties of single-photon, two-photon, coherent and thermal light fields, Hong-Ou-Mandel interference and homodyne detection. The bench comprises a pump laser module, a two-photon source module, A and B channel polarization measurement modules, a correlation measurement module, a coherent and thermal state source module, and a homodyne detection module. The two-photon source module contains a polarization controller, and non-linear crystals. The A and B channels contain two-photon radiation polarization controllers, a polarization filter and/or a beam splitter. The correlation measurement module contains single-photon detectors connected to a pulse correlator that is connected to a computer. The coherent and thermal state source module contains a laser and a beam splitter that splits light into two channels, wherein one channel has a matt disc disposed therein for the random phase and amplitude modulation of the laser radiation. The technical result lies in expanding the functional capabilities of the bench, allowing the automation of experiments, and increasing measurement accuracy.

Description

УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДНЯ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ И EDUCATIONAL AND SCIENTIFIC LABORATORY STAND OF THE DAY OF QUANTUM OPTICS AND
КВАНТОВОЙ ИНФОРМАТИКИ QUANTUM INFORMATICS
Область техники Technology area
Изобретение относится к области физики, а именно к оптике и квантовой физике, и может быть использовано для отработки практических навыков по реализации процессов, применяемых в технологиях квантовых коммуникаций и квантовых вычислений, включая, но не ограничиваясь, проведением следующих исследований: поляризационных и корреляционных свойств однофотонных, бифотонных, когерентных и тепловых световых полей, интерференции Хонга-Оу- Манделя, и гомодинного детектирования. The invention relates to the field of physics, namely to optics and quantum physics, and can be used to practice practical skills in the implementation of processes used in technologies of quantum communications and quantum computing, including, but not limited to, conducting the following studies: polarization and correlation properties of single-photon , biphotonic, coherent and thermal light fields, Hong-Ou-Mandel interference, and homodyne detection.
Уровень техники State of the art
Одним из самых сложных и вместе с тем востребованных в современном мире разделом физики является квантовая физика. Ее востребованность обусловлена развитием квантовых (в особенности - квантово-информационных) технологий. В то же время, сложность понимания процессов квантовой физики связана с тем, что ее базовые принципы противоречат имеющемуся опыту, в связи с чем только практический опыт работы с квантовыми системами может дать полное понимание законов квантовой физики. One of the most difficult and at the same time demanded in the modern world section of physics is quantum physics. Its relevance is due to the development of quantum (especially quantum information) technologies. At the same time, the complexity of understanding the processes of quantum physics is due to the fact that its basic principles contradict the available experience, and therefore only practical experience with quantum systems can give a complete understanding of the laws of quantum physics.
Во всем мире физический практикум является неотъемлемым компонентом обучения самым разным разделам физики. Из уровня техники известны различные учебно-научные лабораторные стенды для проведения исследований отдельных физических процессов, однако отсутствуют стенды, которые могли бы комплексно решать задачи и демонстрировать основы квантовой физики, включая: Throughout the world, a physics workshop is an integral component of teaching a wide variety of areas of physics. From the prior art, various educational and scientific laboratory stands are known for conducting research on individual physical processes, but there are no stands that could comprehensively solve problems and demonstrate the basics of quantum physics, including:
1. Проверку нарушения неравенства Белла, 1. Verification of violation of Bell's inequality,
2. Исследование томографии поляризационных кубитов и куквартов,2. Study of tomography of polarization qubits and quarts,
3. Исследование томографии однокубитных квантовых процессов,3. Study of tomography of one-qubit quantum processes,
4. Исследование статистики фотонов, 4. Research of the statistics of photons,
5. Исследование гомодинного детектирования, 5. Study of homodyne detection,
6. Исследование систем квантового распределения ключа, 6. Research of quantum key distribution systems,
7. Исследование квантового генератора случайных чисел, 7. Research of a quantum random number generator,
8. Исследование интерференции Хонга-Оу-Манделя. 8. Study of the Hong-Ou-Mandel interference.
В частности, из статьи F. Т. Arecchi, "Measurement of the statistical distribution of gaussian and laser sources," Phys. Rev. Lett. 15, 912-916 (1965) известна схема установки, позволяющая приготавливать различные квазитепловые и когерентные состояния света, и измерять их статистику интенсивности. Такая схема позволяет частично реализовать задачу 4 и 7, но в ограниченном варианте, поскольку не позволяет приготавливать бифотонные и однофотонные поля, а также измерять числа фотонов вместо интенсивности. Кроме того, она не позволяет реализовать остальные задачи: 1, 2, 3, 5, 6, 8. In particular, from the article by F. T. Arecchi, "Measurement of the statistical distribution of gaussian and laser sources," Phys. Rev. Lett. 15, 912-916 (1965) known scheme installation that allows you to prepare various quasi-thermal and coherent states of light, and measure their intensity statistics. This scheme makes it possible to partially implement Problem 4 and 7, but in a limited version, since it does not allow preparing biphoton and one-photon fields, as well as measuring the number of photons instead of intensity. In addition, it does not allow the implementation of other tasks: 1, 2, 3, 5, 6, 8.
Из статьи S. Friberg, С. К. Hong, and L. Mandel, "Measurement of Time Delays in the Parametric Production of Photon Pairs," Phys. Rev. Lett. 54, 2011-2013 (1985) известна схема установки, позволяющая решать задачу 8 - исследование интерференции Хонга-Оу-Манделя, но она не может решать остальные задачи. From S. Friberg, C. K. Hong, and L. Mandel, "Measurement of Time Delays in the Parametric Production of Photon Pairs," Phys. Rev. Lett. 54, 2011-2013 (1985), a setup scheme is known that allows solving problem 8 - the study of the Hong-Ou-Mandel interference, but it cannot solve other problems.
Наиболее близким к предлагаемому стенду является установка, представленная в статье G. I. Stmchalin, I. A. Pogorelov, S. S. Straupe, К. S. Kravtsov, I. V. Radchenko, and S. P. Kulik, "Experimental adaptive quantum tomography of two- qubit states," Phys. Rev. A 93, 012103 (2016), с помощью которой возможно приготовление набора различных поляризационных состояний бифотонов, и проведение их полной томографии. Такая схема позволяет реализовать часть из перечисленных выше задач (1, 2, 4, 6, 7). Установка состоит из узкополосного лазера накачки на длине волны 408 нм, соединенного оптической связью с поляризационным контроллером накачки, состоящим из двух фазовых пластин (полуволновая и четвертьволновая на длине волны накачки), соединенным оптической связью с парой скрещенных нелинейных кристаллов типа I, в которых происходит генерация бифотонного поля в неколлинеарном режиме, когда один фотон распространяется по каналу 1, а второй по каналу 2. В обоих каналах расположено по одному контроллеру поляризации, также состоящему из двух фазовых пластин (полуволновая и четвертьволновая на удвоенной длине волны накачки) и по поляризационному светоделителю (призме Воластона). Каждый светоделитель разделяет каждый из каналов на 2. В результате образуется 4 оптических канала, каждый из которых соединен оптической связью с однофотонным детектором. Все 4 детектора также выполнены с возможностью соединения электрической связью с коррелятором импульсов. Closest to the proposed stand is the installation presented in the article by G. I. Stmchalin, I. A. Pogorelov, S. S. Straupe, K. S. Kravtsov, I. V. Radchenko, and S. P. Kulik, "Experimental adaptive quantum tomography of two-qubit states," Phys. Rev. A 93, 012103 (2016), with the help of which it is possible to prepare a set of different polarization states of biphotons, and to carry out their complete tomography. This scheme allows you to implement some of the above tasks (1, 2, 4, 6, 7). The setup consists of a narrow-band pump laser at a wavelength of 408 nm, optically coupled to a polarization pump controller, consisting of two phase plates (half-wave and quarter-wave at the pump wavelength), coupled by optical coupling to a pair of crossed type I nonlinear crystals, in which generation occurs biphoton field in the noncollinear mode, when one photon propagates along channel 1, and the second along channel 2. In both channels, one polarization controller is located, also consisting of two phase plates (half-wave and quarter-wave at double the pump wavelength) and along the polarization beam splitter ( Wolaston prism). Each beam splitter divides each of the channels into 2. As a result, 4 optical channels are formed, each of which is optically connected to a single-photon detector. All 4 detectors are also configured to be electrically connected to the pulse correlator.
К недостаткам данного решения стоит отнести невозможность приготовления произвольного бифотонного состояния, что ограничивает возможности исследований в задачах 2 и 6. Кроме того, она не позволяет приготавливать когерентные и квазитепловые состояния света, что ограничивает возможности исследований в задачах 4, 7. Наконец, она не позволяет решать задачи 3 и 5. The disadvantages of this solution include the impossibility of preparing an arbitrary biphoton state, which limits the possibilities of research in problems 2 and 6. In addition, it does not allow preparing coherent and quasi-thermal states of light, which limits the possibilities of research in problems 4, 7. Finally, it does not allow solving problems 3 and 5.
Технической проблемой является разработка стенда (практикума) в виде единой модульной системы, позволяющей реализовать все перечисленные задачи с обеспечением возможности автоматизации эксперимента и удаленного доступа к установке. A technical problem is the development of a stand (workshop) in the form of a single modular system that allows you to implement all the above tasks with the possibility of automating the experiment and remote access to the installation.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
Техническим результатом, достигаемым заявляемым изобретением, является возможность решения ключевых задач квантовой оптики и квантовой информатики, включая: The technical result achieved by the claimed invention is the ability to solve key problems of quantum optics and quantum informatics, including:
1. Проверка нарушения неравенства Белла 1. Verification of violation of Bell's inequality
2. Томография поляризационных кубитов и куквартов 2. Tomography of polarization qubits and quarts
3. Томография однокубитных квантовых процессов 3. Tomography of one-qubit quantum processes
4. Статистика фотонов 4. Photon statistics
5. Г омод инное детектирование 5. Homo dom detection
6. Системы квантового распределения ключа 6. Systems of quantum key distribution
7. Квантовый генератор случайных чисел 7. Quantum random number generator
8. Интерференция Хонга-Оу-Манделя, с помощью одного стенда, характеризующегося модульной конструкцией.8. Hong-Ou-Mandel interference, using one stand, characterized by a modular design.
Стенд позволяет проводить модельные эксперименты квантовой физики с высокой точностью и воспроизводимостью результатов при обеспечении удобства проведения исследований и реализации экспериментов. The stand allows carrying out model experiments of quantum physics with high accuracy and reproducibility of results while ensuring the convenience of research and implementation of experiments.
Технический результат достигается посредством создания учебно-научного лабораторного стенда для проведения исследований поляризационных и корреляционных свойств однофотонных, бифотонных, когерентных и тепловых световых полей, интерференции Хонга-Оу-Манделя, и гомодинного детектирования, включающего расположенные на оптическом столе последовательно соединенные оптической связью модуль лазера накачки, модуль источника бифотонов, модули поляризационных измерений в каналах А и В, модуль корреляционных измерений, выполненный с возможностью подключения к устройству регистрации и анализа данных (компьютеру), а также модуль источника когерентных и тепловых состояний и модуль гомодинного детектирования, где модуль источника когерентных и тепловых состояний выполнен с возможностью соединения оптической связью либо с модулями поляризационных измерений в каналах А и В, либо с модулем гомодинного детектирования, а модуль гомодинного детектирования выполнен с возможностью подключения к устройству регистрации и анализа данных (компьютеру), при этом модуль лазера накачки содержит лазер с контроллером тока и температуры, модуль источника бифотонов содержит на одном оптическом пути контроллер поляризации бифотонного излучения (контроллер поляризационного состояния накачки или поляризационный контроллер), нелинейные кристаллы, систему разделения излучения бифотонов и излучения накачки, которая в одном из вариантов осуществления выполнена в виде фильтра, пропускающего излучение на длине волны бифотонов и осекающего излучение на длине волны накачки (например, notch-фильтра); каналы А и В модулей поляризационных измерений содержат контроллеры поляризации бифотонного излучения, поляризационный фильтр и/или светоделитель; модуль корреляционных измерений содержит однофотонные детекторы, соединенные с коррелятором импульсов, выполненным с возможностью подключения к устройству регистрации и анализа данных (компьютеру); модуль источника когерентных и тепловых состояний содержит лазер, соединенный оптической связью со светоделителем, выполненным с возможностью деления света на два канала, в одном из которых расположен матовый диск, выполненный с возможностью вращения вокруг своего центра для модулирования случайным образом излучение лазера по фазе и амплитуде, при этом оба канала выполнены с возможностью подключения к модулям поляризационных измерений и модулю гомодинного детектирования; модуль гомодинного детектирования содержит поляризационный светоделитель, входы которого выполнены с возможностью подключения к выходам источника когерентных и тепловых состояний, а в его выходном канале расположен контроллер поляризации и второй поляризационный светоделитель, выходы которого соединены оптической связью с детекторами света. The technical result is achieved by creating an educational and scientific laboratory stand for researching the polarization and correlation properties of single-photon, biphoton, coherent and thermal light fields, Hong-Oy-Mandel interference, and homodyne detection, including a pump laser module located on the optical table in series with optical communication , a biphoton source module, polarization measurement modules in channels A and B, a correlation measurement module configured to connect to a data recording and analysis device (computer), as well as a source of coherent and thermal states and a homodyne detection module, where the source module is coherent and thermal states is designed to be connected by optical communication either with the modules of polarization measurements in channels A and B, or with the module homodyne detection, and the homodyne detection module is configured to connect to a data recording and analysis device (computer), while the pump laser module contains a laser with a current and temperature controller, the biphoton source module contains a polarization controller for biphoton radiation on one optical path (controller of the polarization state pumping or polarization controller), nonlinear crystals, a system for separating radiation from biphotons and pumping radiation, which in one embodiment is made in the form of a filter that transmits radiation at a wavelength of biphotons and cuts off radiation at a pumping wavelength (for example, a notch filter); channels A and B of the polarization measurement modules contain biphoton radiation polarization controllers, a polarization filter and / or a beam splitter; the correlation measurement module contains single-photon detectors connected to a pulse correlator configured to connect to a data recording and analysis device (computer); the module of the source of coherent and thermal states contains a laser connected by optical communication with a beam splitter made with the possibility of dividing light into two channels, in one of which there is a matt disk made with the possibility of rotation around its center to randomly modulate the laser radiation in phase and amplitude, both channels are made with the possibility of connecting to the polarization measurement modules and the homodyne detection module; The homodyne detection module contains a polarization beam splitter, the inputs of which are configured to connect to the outputs of the source of coherent and thermal states, and its output channel contains a polarization controller and a second polarization beam splitter, the outputs of which are optically connected to light detectors.
Контроллер поляризации бифотонного излучения в модуле источника бифотонов и модулях поляризационных измерений состоит из последовательно расположенных полуволновой и четвертьволновой фазовых пластин, установленных во вращающихся подвижках. Фазовые пластины контроллера поляризации в модуле источника бифотонов рассчитаны на длину волны лазера накачки, а фазовые пластины контроллеров поляризации в модулях поляризационных измерений - на вдвое большую длину волны. Контроллеры поляризации бифотонного излучения в модуле источника бифотонов и модулях поляризационных измерений выполнены на вращающихся подвижках (вокруг оптической оси) с возможностью подключения к компьютеру и автоматизированной регулировки угла поворота подвижек. The biphoton radiation polarization controller in the biphoton source module and polarization measurement modules consists of sequentially located half-wave and quarter-wave phase plates installed in rotating slides. The phase plates of the polarization controller in the biphoton source module are designed for the pump laser wavelength, and the phase plates Polarization controller plates in polarization measurement modules - twice the wavelength. The biphoton radiation polarization controllers in the biphoton source module and polarization measurement modules are made on rotating slides (around the optical axis) with the ability to connect to a computer and automatically adjust the angle of rotation of the slides.
В качестве оптической связи, соединяющей модули, может быть использовано оптоволокно. Optical fiber can be used as an optical link connecting the modules.
Лазер в модуле лазера накачки представляет собой лазерный диод, установленный в коллимационной трубочке, с возможностью стабилизации температуры посредством использования элемента Пельтье, соединенного с контроллером тока и температуры. Модуль лазера накачки содержит каплер - устройство ввода/вывода излучения в оптоволокно, представляющий собой трубочку с линзой, в фокальной плоскости которой расположен торец оптоволокна для связи с соседним модулем. В одном из вариантов осуществления изобретения модуль лазера накачки включает оптический изолятор, расположенный между лазером и каплером, исключающим попадание отраженного излучения обратно в лазер. Возможен вариант выполнения модуля лазера накачки, согласно которому между лазером и каплером установлена пара призм, выполненных с возможностью корректировки формы пучка для эффективного заведения излучения в оптоволокно. Лазерный диод в модуле лазера накачки может быть выполнен с возможностью работы на длине волны 400-410 нм и имеет ширину линии не более 1 ГГц. В конкретном варианте выполнения лазерный диод содержит встроенный высокодобротный (например, брэгговский) резонатор. Еще в одном варианте осуществления изобретения модуль лазера накачки содержит дифракционную решетку, соединенную с лазерным диодом оптической связью, для обеспечения необходимой ширины спектра и выполняющей функцию зеркала внешнего резонатора. The laser in the pump laser module is a laser diode installed in a collimation tube with the possibility of temperature stabilization by using a Peltier element connected to a current and temperature controller. The pump laser module contains a coupler - a device for input / output of radiation into the optical fiber, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the optical fiber is located for communication with the adjacent module. In one embodiment of the invention, the pump laser module includes an optical isolator located between the laser and the coupler to prevent reflected radiation from returning to the laser. An embodiment of the pump laser module is possible, according to which a pair of prisms is installed between the laser and the coupler, made with the possibility of adjusting the shape of the beam to effectively introduce radiation into the fiber. The laser diode in the pump laser module can be configured to operate at a wavelength of 400-410 nm and has a line width of no more than 1 GHz. In a particular embodiment, the laser diode contains an embedded high-Q (eg, Bragg) resonator. In yet another embodiment of the invention, the pump laser module comprises a diffraction grating coupled to the laser diode by optical coupling to provide the required spectral width and serves as an external resonator mirror.
Модуль источника бифотонов со стороны входа содержит каплер, в фокальной плоскости линзы которого расположен торец оптоволокна для соединения с модулем накачки, и выполнен с возможностью подключения к модулям поляризационных измерений в каналах А и В также с помощью другого каплера, который выполнен с возможностью подключения к модулю источника когерентных и тепловых состояний (т.е. второй каплер не входит в конструкцию данного модуля, выступает в качестве отдельного элемента соединения/подключения упомянутых модулей). Частотный фильтр в модуле источника бифотонов может быть выполнен под длину волны 405 нм с просветлением в диапазоне 400-410 нм. Нелинейные кристаллы в модуле источника бифотонов изготовлены с учетом кристаллографических осей под вырожденный синхронизм типа I для длины волны накачки с ортогонально ориентированными оптическими осями. Модуль источника бифотонов содержит частотный фильтр накачки и линзу, установленную после частотного фильтра накачки и перед нелинейными кристаллами таким образом, чтобы кристаллы находились в ее фокусе, при этом линза выполнена с просветляющим покрытием на длине волны накачки. В одном из вариантов осуществления изобретения модуль источника бифотонов содержит вторую линзу, установленную за нелинейными кристаллами, и второй частотный фильтр, установленный за второй линзой, при этом вторая линза установлена таким образом, чтобы кристаллы находились в ее фокусе, и выполнена с просветляющим покрытием на удвоенной длине волны накачки, а второй частотный фильтр выполнен пропускающим излучение бифотонов на удвоенной длине волны накачки, но не пропускающим излучение на длине волны накачки. The module of the source of biphotons from the input side contains a coupler, in the focal plane of the lens of which the end of the optical fiber is located for connection with the pumping module, and is configured to connect to polarization measurement modules in channels A and B also using another coupler, which is configured to be connected to the module a source of coherent and thermal states (i.e. the second coupler is not included in the design of this module, acts as a separate element connections / connections of the mentioned modules). The frequency filter in the biphotone source module can be made for a wavelength of 405 nm with antireflection in the range of 400-410 nm. The nonlinear crystals in the biphoton source module are made taking into account crystallographic axes for degenerate phase matching of type I for the pump wavelength with orthogonally oriented optical axes. The biphoton source module contains a pumping frequency filter and a lens installed after the pumping frequency filter and in front of the nonlinear crystals so that the crystals are in its focus, while the lens is made with an antireflection coating at the pumping wavelength. In one embodiment of the invention, the biphoton source module contains a second lens installed behind the nonlinear crystals and a second frequency filter installed behind the second lens, while the second lens is installed so that the crystals are in its focus, and is made with an antireflection coating on a double pump wavelength, and the second frequency filter is made to transmit biphotons radiation at the double pump wavelength, but does not transmit radiation at the pump wavelength.
Лазер модуля источника когерентных и тепловых состояний соединен со светоделителем с помощью оптоволокна, имеет волоконный выход, его ширина спектра не превышает 1 МГц, а центральная длина волны равна удвоенной длине волны лазера накачки. Матовый диск модуля источника когерентных и тепловых состояний соединен с выходом светоделителя и с выходным оптоволокном посредством каплеров. Матовый диск модуля источника когерентных и тепловых состояний выполнен с возможностью подключения к компьютеру и регулировки скорости вращения, включая полную остановку. The laser of the module of the source of coherent and thermal states is connected to the beam splitter using an optical fiber, has a fiber output, its spectrum width does not exceed 1 MHz, and the center wavelength is equal to twice the pump laser wavelength. The matt disk of the module of the source of coherent and thermal states is connected to the output of the beam splitter and to the output optical fiber by means of couplers. The matt disk of the module of the source of coherent and thermal states is made with the possibility of connecting to a computer and adjusting the rotation speed, including full stop.
Подключение модуля источника бифотонов и модуля источника когерентных и тепловых состояний к модулям поляризационных измерений в каналах А и В реализовано посредством светоделительной пластины, имеющей два входа и два выхода, при этом один из входов соединен с выходом модуля источника бифотонов, второй вход - с выходом модуля источника когерентных и тепловых состояний через каплер, а выходы светоделительной пластины соединены оптической связью со входами модулей поляризационных измерений в каналах А и В. The connection of the biphoton source module and the coherent and thermal state source module to the polarization measurement modules in channels A and B is realized by means of a beam splitting plate having two inputs and two outputs, one of the inputs is connected to the output of the biphoton source module, the second input is connected to the output of the module source of coherent and thermal states through the coupler, and the outputs of the beam splitting plate are optically connected to the inputs of the polarization measurement modules in channels A and B.
Модули поляризационных измерений в каналах А и В содержат каплеры, расположенные на выходе модулей, через которые реализовано оптоволоконное соединение с модулем корреляционных измерений, при этом перед каплерами установлены узкополосные частотные фильтры с шириной диапазона пропускания 10-40 нм, центр диапазона пропускания которых совпадает с удвоенной длиной воны лазера накачки. Один из каплеров модуля поляризационных измерений в канале А установлен на трансляционную подвижку, выполненную с возможностью изменения расстояния между ним и поляризационным фильтром и/или светоделителем, при этом трансляционная подвижка может быть выполнена с возможностью подключения к компьютеру. Modules for polarization measurements in channels A and B contain couplers located at the output of the modules, through which a fiber-optic connection with the correlation measurement module is realized, while in front of the couplers Narrow-band frequency filters with a transmission range of 10-40 nm are installed, the center of the transmission range of which coincides with the doubled wavelength of the pump laser. One of the couplers of the polarization measurement module in channel A is installed on a translational slide made with the ability to change the distance between it and the polarization filter and / or beam splitter, while the translational slide can be connected to a computer.
Модуль корреляционных измерений содержит четыре однофотонных детектора, оптические входы которых соединены с оптическими выходами модулей поляризационных измерений, при этом два детектора из четырех подключены к выходам каналов А и В через симметричный (одномодовый) оптоволоконный светоделитель. Коррелятор импульсов выполнен с возможностью подсчета числа фотоотсчетов по каждому каналу, а также измерения числа совпадений фотоотсчетов между любыми двумя каналами и измерения гистограммы времен задержки между импульсами, идущими по любым из двух каналов. The correlation measurement module contains four single-photon detectors, the optical inputs of which are connected to the optical outputs of the polarization measurement modules, while two of the four detectors are connected to the outputs of channels A and B through a symmetric (single-mode) fiber-optic beam splitter. The pulse correlator is configured to count the number of photocounts for each channel, as well as measure the number of coincidences of photocounts between any two channels and measure the histogram of the delay times between pulses traveling along any of the two channels.
Модуль гомодинного детектирования снабжен со стороны входа каплерами для соединения с помощью оптоволокон с модулем источника когерентных и тепловых состояний. Контроллер поляризации в модуле гомодинного детектирования выполнен в виде полуволновой фазовой пластинки на удвоенную длину волны накачки. Модуль гомодинного детектирования содержит также блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП), соединенный с детекторами света, и выполненный с возможностью подключения к компьютеру. Детекторы света в модуле гомодинного детектирования выполнены в виде единого модуля, включающего усилитель разностного фототока. В одном из вариантов осуществления изобретения перед первым поляризационным светоделителем модуля гомодинного детектирования установлено зеркало на прецизионной пьезо - подвижке, соединенной с источником пилообразного сигнал; а перед вторым поляризационным светоделителем модуля гомодинного детектирования установлена длиннофокусная линза, при этом детекторы расположены от линзы на ее фокусном расстоянии. The homodyne detection module is equipped on the input side with couplers for connection by means of optical fibers to the module of the source of coherent and thermal states. The polarization controller in the homodyne detection module is made in the form of a half-wave phase plate for twice the pump wavelength. The homodyne detection module also contains an analog-to-digital converter (ADC) unit connected to the light detectors and adapted to be connected to a computer. The light detectors in the homodyne detection module are made in the form of a single module that includes a differential photocurrent amplifier. In one embodiment of the invention, in front of the first polarizing beam splitter of the homodyne detection module, a mirror is installed on a precision piezo-slider connected to a sawtooth signal source; and a long-focus lens is installed in front of the second polarizing beam splitter of the homodyne detection module, with the detectors located from the lens at its focal length.
В одном из вариантов реализации изобретения учебно-научный лабораторный стенд содержит компьютер, соединенный с модулями стенда, выполненный с возможностью удаленного подключения другого компьютера с обеспечением возможности удаленного управления всеми модулями стенда. В заявляемом изобретении при оптоволоконном соединении модулей предпочтительно использование кайл еров - устройств ввода/вывода излучения в оптоволокно, представляющего собой трубочку с линзой, в фокальной плоскости которой расположен торец оптоволокна. Таким образом, достижение технического результата обеспечивается за счет того, что в одной оптической схеме объединены несколько универсальных модулей: модули лазера накачки, источника бифотонов, источника когерентных и тепловых состояний, два модуля поляризационных измерений, модуль корреляционных измерений и модуль гомодинного детектирования. Для возможности решения широкого спектра задач квантовой физики с помощью одного модульного стенда была разработана схема, включающая минимально необходимый и достаточный набор устройств и конструктивных элементов с возможностью соединения элементов в модуле и модулей между собой под решаемую задачу. Данные модули можно по-разному коммутировать между собой и задавать их параметры в зависимости от конкретной задачи. При этом, для увеличения числа одновременно обучающихся, большая часть модулей может быть автоматизирована, и к ним возможен удаленный доступ. Интерфейс программ удаленного доступа создает у пользователя эффект полного присутствия за счет множества датчиков и веб-камер. In one embodiment of the invention, the educational and scientific laboratory stand contains a computer connected to the stand modules, made with the possibility of remotely connecting another computer with the possibility of remote control of all the stand modules. In the claimed invention, for fiber-optic connection of modules, it is preferable to use kaylers - devices for input / output of radiation into an optical fiber, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the fiber is located. Thus, the achievement of the technical result is ensured due to the fact that several universal modules are combined in one optical scheme: modules of a pump laser, a source of biphotons, a source of coherent and thermal states, two modules of polarization measurements, a module of correlation measurements and a module of homodyne detection. To be able to solve a wide range of quantum physics problems using one modular stand, a scheme was developed that includes the minimum necessary and sufficient set of devices and structural elements with the ability to connect elements in a module and modules to each other for the task being solved. These modules can be switched with each other in different ways and their parameters can be set depending on the specific task. At the same time, in order to increase the number of students at the same time, most of the modules can be automated and can be accessed remotely. The interface of the remote access programs creates the effect of full presence for the user due to the multitude of sensors and webcams.
Краткое описание чертежей Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема разработанного стента. Brief Description of the Drawings The invention is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the developed stent.
Позициями на чертеже обозначены: The positions in the drawing indicate:
1, 6 — лазерный диод, 1, 6 - laser diode,
1а, 6а — контроллер тока и температуры для лазерного диода, 2 — дифракционная решетка для создания внешнего резонатора к диоду 1,1a, 6a - current and temperature controller for a laser diode, 2 - a diffraction grating for creating an external resonator to diode 1,
3 — оптический изолятор Фарадея, 3 - optical Faraday isolator,
4 — пара анаморфных призм для преобразования профиля луча диода 1,4 - a pair of anamorphic prisms for transforming the beam profile of diode 1,
5а, 5Ь, 9, 9а, 11, 32, 33, 34, 35, 63, 64 — одномодовое поляризационно сохраняющее волокно (оптоволокно), 7 — одномодовый волоконный светоделитель (поляризационно сохраняющий светоделитель), 5a, 5b, 9, 9a, 11, 32, 33, 34, 35, 63, 64 - single-mode polarization-saving fiber (optical fiber), 7 - single-mode fiber beam splitter (polarization-saving beam splitter),
8 — аттенюатор излучения, 8 - radiation attenuator,
10 — вращающийся матовый диск, 10 - rotating matte disc,
12 — поляризатор для излучения лазера, 13 — полуволновая пластинка нулевого порядка с просветлением, 12 - polarizer for laser radiation, 13 - half-wave plate of zero order with antireflection,
14 — четвертьволновая пластинка нулевого порядка с просветлением,14 - zero-order quarter-wave plate with antireflection,
15 — bandpass-фильтр, 15 - bandpass filter,
16 — дихроичное зеркало, 17, 60 — линза плоско-выгнутая с просветлением, 16 - dichroic mirror, 17, 60 - plane-curved lens with antireflection coating,
18 — пара скрещенных кристаллов BiBO, 18 - a pair of crossed BiBO crystals,
19 — линза плоско-выгнутая с просветлением, 19 - flat-curved lens with antireflection coating,
20 — notch-фильтр, 20 - notch filter,
21 — светоделительная пластина 50:50, 22, 24, 26, 28, 59 — полуволновая пластинка нулевого порядка с просветлением, 21 - 50:50 beamsplitter, 22, 24, 26, 28, 59 - zero-order half-wave plate with antireflection,
23, 25, 27, 29 — четвертьволновая пластинка нулевого порядка с просветлением, 23, 25, 27, 29 - zero-order quarter-wave plate with antireflection,
30, 31, 58, 61 — поляризационный светоделительный кубик для излучения (поляризационный светоделитель), 30, 31, 58, 61 - polarizing beam splitter cube for radiation (polarizing beam splitter),
36, 37, 38, 39 — кремниевый однофотонный детектор, 36, 37, 38, 39 - silicon single-photon detector,
40, 41, 42 — интеренференционный фильтр, 40, 41, 42 - interference filter,
43 — моторизированная трансляционная подвижка, 43 - motorized translational movement,
44 — одномодовый волоконный светоделитель (поляризационно сохраняющий светоделитель), 44 - single-mode fiber beam splitter (polarization-preserving beam splitter),
45 — коррелятор для обработки импульсов, приходящих с детекторов 36-39, включающий 4 «старт-стоп» схемы, 45 - correlator for processing pulses coming from detectors 36-39, including 4 "start-stop" circuits,
46, 67 — устройство регистрации и анализа данных (компьютер или персональный компьютер), 47-57 — устройства ввода/вывода излучения в оптоволокно (каплеры),46, 67 - device for recording and analyzing data (computer or personal computer), 47-57 - devices for input / output of radiation into optical fiber (couplers),
62 — балансный детектор, 62 - balanced detector,
65 — зеркало на пьезо-подвижке, 65 - piezo mirror,
66 — аналогово-цифровой преобразователь. 66 - analog-to-digital converter.
Подробное описание осуществления изобретения Учебно-научный лабораторный стенд для проведения исследований поляризационных и корреляционных свойств однофотонных, бифотонных, когерентных и тепловых световых полей, интерференции Хонга- Оу-Манделя и гомодинного детектирования, включает расположенные на оптическом столе модуль лазера накачки, соединенный оптической связью с модулем источника бифотонов, соединенный оптической связью с модулями поляризационных измерений в каналах А и В, соединенными оптической связью с модулем корреляционных измерений, который в свою очередь выполнен с возможностью подключения к устройству регистрации и анализа данных (компьютеру), а также модуль источника когерентных и тепловых состояний, выполненный с возможностью соединения оптической связью либо с модулями поляризационных измерений в каналах А и В, либо с модулем гомодинного детектирования, который также выполнен с возможностью подключения к устройству регистрации и анализа данных (компьютеру). DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Educational and scientific laboratory stand for researching the polarization and correlation properties of single-photon, biphoton, coherent and thermal light fields, Hong-Oy-Mandel interference and homodyne detection, includes a pump laser module located on an optical table, connected by optical communication with the module source of biphotons, optically connected to the polarization measurement modules in channels A and B, optically connected to the correlation measurement module, which in turn is configured to be connected to a data recording and analysis device (computer), as well as a coherent and thermal state source module made with the ability to connect by optical communication either with the modules of polarization measurements in channels A and B, or with a homodyne detection module, which is also configured to be connected to a data recording and analysis device (computer).
Модуль лазера накачки представляет собой контроллер тока и температуры 1 а, соединенный с лазерным диодом 1 , установленным в коллимационной трубочке, находящейся в тепловом контакте с элементом Пельтье, также соединенным с контроллером тока и температуры. Лазерный диод 1 соединен оптической связью с оптическим изолятором 3, который затем соединен с модулем ввода/вывода излучения в оптоволокно (каплером) 47, представляющим собой трубочку с линзой, в фокальной плоскости которой расположен торец оптоволокна 5 а. The pump laser module is a current and temperature controller 1 a connected to a laser diode 1 installed in a collimation tube in thermal contact with a Peltier element, also connected to a current and temperature controller. The laser diode 1 is optically connected to an optical isolator 3, which is then connected to a module for input / output of radiation into an optical fiber (coupler) 47, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the optical fiber 5 a is located.
Лазерный диод 1 в модуле лазера накачки работает на длине волны 400-410 нм и имеет ширину линии не более 1 ГТц. Для этого либо в качестве лазерного диода 1 используется лазерный диод со встроенным высокодобротным (например, брэгговским) резонатором, либо в оптической связи, соединяющей лазерный диод 1 с оптическим изолятором 3, устанавливается дифракционная решетка 2. Laser diode 1 in the pump laser module operates at a wavelength of 400-410 nm and has a line width of no more than 1 GHz. For this, either a laser diode with a built-in high-Q (for example, Bragg) resonator is used as a laser diode 1, or a diffraction grating 2 is installed in the optical connection connecting the laser diode 1 with the optical isolator 3.
Для увеличения доли лазерного излучения, заведенного в оптоволокно в модуле лазера накачки, в оптической связи, соединяющей оптический изолятор 3 с оптоволокном, может быть азмещена пара призм, исправляющих форму пучка (на чертеже не показаны). To increase the fraction of laser radiation introduced into the optical fiber in the pump laser module, a pair of prisms that correct the beam shape (not shown in the drawing) can be placed in the optical link connecting the optical isolator 3 with the optical fiber.
Модуль источника бифотонов состоит из каплера 48, в фокальной плоскости линзы которого расположен торец оптоволокна 5Ь, соединенный оптической связью с поляризатором 12, соединенным оптической связью с полуволновой фазовой пластиной 13, рассчитанной на длину волны 405 нм и просветленную в диапазоне 400-410 нм, соединенную оптической связью с четвертьволновой фазовой пластиной 14, рассчитанной на длину волны 405 нм и просветленную в диапазоне 400-410 нм, соединенную оптической связью со спектральным фильтром 15, пропускающим излучение в диапазоне 400-410 нм, соединенным оптической связью с линзой 17, в фокусе которой расположена пара нелинейных кристаллов 18, вырезанных под вырожденный синхронизм типа I для длины волны накачки, оптические оси которых ориентированы ортогонально. В случае, если кристаллы вырезаны под коллинеарный синхронизм, то кристалл соединяется одной оптической связью с линзой 19, соединенной со спектральным фильтром 20, блокирующим излучение на длине волны 400-410 нм и пропускающим - на длине волны 800 - 820 нм, соединенным с входом симметричного неполяризационного светоделителя 21, выходы которого соединены оптическими связями с модулями поляризационных измерений в каналах А и В. В этом случае другой вход светоделителя 21 соединен оптической связью с каплером 53 в фокальной плоскости линзы которого устанавлен торец оптоволокна 11, другой торец которого может быть соединен с модулем источника когерентных и тепловых состояний. В случае, если кристаллы вырезаны под неколлинеарный синхронизм (на схеме не представлен), то кристалл соединяют одной оптической связью с линзой, соединенной со спектральным фильтром, блокирующим излучение на длине волны 400-410 нм и пропускающим - на длине волны 800 - 820 нм, соединенным оптической связью с модулем поляризационных измерений в канале А, а другой оптической связью - с линзой, соединенной со спектральным фильтром, блокирующим излучение на длине волны 400-410 нм и пропускающим - на длине волны 800 - 820 нм, соединенным оптической связью с модулем поляризационных измерений в канале В. В этом случае каплер 53 соединяют оптической связью с нелинейными кристаллами 18, находящейся на одной оптической оси со связью между кристаллами и одним из модулей поляризационных измерений. Фазовые пластинки 13, 14 установлены во вращающихся подвижках с возможностью подключения к управляющему устройству (компьютеру). The biphoton source module consists of a coupler 48, in the focal plane of the lens of which the end of the optical fiber 5b is located, which is optically connected to a polarizer 12, which is optically coupled to a half-wave phase plate 13, designed for a wavelength of 405 nm and antireflection in the range of 400-410 nm, connected optical communication with a quarter-wave phase plate 14, designed for a wavelength of 405 nm and antireflection in the range of 400-410 nm, coupled by optical communication with a spectral filter 15 that transmits radiation in the range of 400-410 nm, coupled by optical communication with a lens 17, in the focus of which there is a pair of nonlinear crystals 18 cut under degenerate phase-matching of type I for the pump wavelength, the optical axes of which are oriented orthogonally. If the crystals are cut for collinear synchronism, then the crystal is connected by one optical connection with the lens 19 connected to the spectral filter 20, blocking radiation at a wavelength of 400-410 nm and transmitting at a wavelength of 800-820 nm, connected to the input of a symmetric non-polarization beam splitter 21, the outputs of which are optically connected to the polarization measurement modules in channels A and B. In this case, the other input of the beam splitter 21 is optically connected to the coupler 53 in the focal plane of the lens of which the end of the fiber 11 is installed, the other end of which can be connected to the module source of coherent and thermal states. If the crystals are cut for non-collinear synchronism (not shown in the diagram), then the crystal is connected by one optical connection with a lens connected to a spectral filter that blocks radiation at a wavelength of 400-410 nm and transmits at a wavelength of 800-820 nm, connected by optical communication with the polarization measurement module in channel A, and another optical communication with a lens connected to a spectral filter blocking radiation at a wavelength of 400-410 nm and transmitting at a wavelength of 800 - 820 nm, connected by optical communication with a polarization module measurements in channel B. In this case, the coupler 53 is optically connected to nonlinear crystals 18 located on the same optical axis with the coupling between the crystals and one of the polarization measurement modules. Phase plates 13, 14 are installed in rotating slides with the ability to connect to a control device (computer).
Модуль источника когерентных и тепловых состояний состоит из узкополосного лазерного диода 6 с волоконным выходом, шириной спектра не более 1 МГц и центральной длиной волны вдвое большей, чем длина волны лазера накачки, соединенного оптическим волокном с волоконным светоделителем 7, первый волоконный выход которого 9 имеет возможность подключения к модулю гомодинного детектирования, а торец волокна второго выхода 9а находится в фокусе линзы волоконного каплера 54, соединенного оптической связью с вращающимся матовым диском 10, соединенным оптической связью с каплером 55, в фокальной плоскости линзы которого расположен торец оптоволокна 11 , второй торец которого имеет возможность подключения к модулям поляризационных измерений в каналах А и В. The module of the source of coherent and thermal states consists of a narrow-band laser diode 6 with a fiber output, a spectrum width of no more than 1 MHz and a center wavelength twice as long as the wavelength of a pump laser connected by an optical fiber to a fiber beam splitter 7, the first fiber output of which 9 has the ability connection to the homodyne detection module, and the end of the fiber of the second output 9a is at the focus of the lens of the fiber coupler 54, optically connected to the rotating matt disk 10, which is optically coupled to the coupler 55, in the focal plane of the lens of which the end of the fiber 11 is located, the second end of which is has the ability to connect to polarization measurement modules in channels A and B.
Подключение источника бифотонов и источника когерентных и тепловых состояний к модулям поляризационных измерений в каналах А и В обеспечивается следующим образом: выходной разъем оптоволокна источника когерентных и тепловых состояний подключается к оптоволокну 11, второй конец которого находится в фокусе линзы каплера 53, соединенного оптической связью со входом симметричного светоделителя 21. Второй вход светоделителя соединен оптической связью с выходом источника бифотонов. Выходы светоделителя соединены оптической связью со входами модулей поляризационных измерений в каналах А и В. The connection of the source of biphotons and the source of coherent and thermal states to the modules of polarization measurements in channels A and B is provided as follows: the output connector of the optical fiber of the source of coherent and thermal states is connected to optical fiber 11, the second end of which is at the focus of the lens of the coupler 53, which is optically connected to the input symmetric beam splitter 21. The second input of the beam splitter is optically connected to the output of the biphoton source. The outputs of the beam splitter are optically connected to the inputs of the polarization measurement modules in channels A and B.
Вход модуля поляризационных измерений в канале А соединяется оптической связью с полуволновой пластинкой 22 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с четвертьволновой пластинкой 23 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с полуволновой пластинкой 24 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с четвертьволновой пластинкой 25 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с поляризационным светоделителем 30, один из выходов которого соединен оптической связью с интерференционным фильтром 40а, пропускающим излучение только в диапазоне 800-820 нм, соединенным оптической связью с каплером 49, в фокусе линзы которого расположено оптоволокно 32 с возможностью подключения к модулю корреляционных измерений; второй выход поляризационного светоделителя 30 соединен оптической связью с интерференционным фильтром 40, пропускающим излучение только в диапазоне 800-820 нм, соединенным оптической связью с каплером 50, в фокусе линзы которого расположено оптоволокно 33 с возможностью подключения к модулю корреляционных измерений; каплер 50 установлен на трансляционную подвижку с возможностью подключения к управляющему устройству (компьютеру). Фазовые пластинки 22-25 установлены во вращающихся подвижках с возможностью подключения к управляющему устройству (компьютеру). Вход модуля поляризационных измерений в канале А соединяется оптической связью с полуволновой пластинкой 26 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с четвертьволновой пластинкой 27 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с полуволновой пластинкой 28 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с четвертьволновой пластинкой 29 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с поляризационным светоделителем 31, один из выходов которого соединен оптической связью с интерференционным фильтром 41, пропускающим излучение только в диапазоне 800-820 нм, соединенным оптической связью с каплером 51, в фокусе линзы которого расположено оптоволокно 34 с возможностью подключения к модулю корреляционных измерений; второй выход поляризационного светоделителя 31 соединен оптической связью с интерференционным фильтром 42, пропускающим излучение только в диапазоне 800-820 нм, соединенным оптической связью с каплером 52, в фокусе линзы которого расположено оптоволокно 35 с возможностью подключения к модулю корреляционных измерений; фазовые пластинки 26-29 установлены во вращающихся подвижках с возможностью подключения к управляющему устройству (компьютеру). The input of the polarization measurement module in channel A is optically connected to a half-wave plate 22 at 810 nm with an antireflection coating for the 800-820 nm range, installed in a rotating slide connected by optical coupling to a quarter-wave plate 23 at 810 nm with an antireflection coating for the range 800-820 nm, installed in a rotating slide, optically coupled to a half-wave plate 24 at 810 nm with an antireflection coating for the range of 800-820 nm, installed in a rotating slide, connected by optical communication with a quarter-wave plate 25 at 810 nm with an antireflection coating for a range of 800-820 nm, installed in a rotating slider, optically connected to a polarizing beam splitter 30, one of the outputs of which is optically connected to an interference filter 40a, which transmits radiation only in the 800-820 nm range, optically connected to a coupler 49, in the focus of the lens of which an optical fiber is located 32 s possible connection to the module of correlation measurements; the second output of the polarizing beam splitter 30 is optically connected to an interference filter 40 that transmits radiation only in the 800-820 nm range, optically connected to a coupler 50, in the focus of the lens of which an optical fiber 33 is located, with the possibility of connecting to a correlation measurement module; coupler 50 is installed on the translational slide with the ability to connect to a control device (computer). Phase plates 22-25 are installed in rotating slides with the ability to connect to a control device (computer). The input of the polarization measurement module in channel A is optically connected to a half-wave plate 26 at 810 nm with an antireflection coating for the 800-820 nm range, installed in a rotating slide connected by optical coupling to a quarter-wave plate 27 at 810 nm with an antireflection coating for the range 800-820 nm, installed in a rotating slide, optically connected to a half-wave plate 28 at 810 nm with an antireflection coating for the range of 800-820 nm, installed in a rotating slide, connected by optical communication to a quarter-wave plate 29 at 810 nm with an antireflection coating for a range of 800-820 nm installed in a rotating slider, optically connected to a polarizing beam splitter 31, one of the outputs of which is optically connected to an interference filter 41 that transmits radiation only in the 800-820 nm range, optically connected to a coupler 51, in the focus of the lens of which an optical fiber is located 34 s possible connection to the module of correlation measurements; the second output of the polarizing beam splitter 31 is optically connected to an interference filter 42 that transmits radiation only in the 800-820 nm range, optically connected to a coupler 52, in the focus of the lens of which an optical fiber 35 is located, with the possibility of connecting to a correlation measurement module; phase plates 26-29 are installed in rotating slides with the ability to connect to a control device (computer).
Модуль корреляционных измерений состоит из четырех однофотонных детекторов 36-39, оптические входы которых соединены с выходами оптических волокон модулей поляризационных измерений 35-32 соответственно. В случае исследования интерференции Хонга-Оу-Манделя, волокна 34, 33 подключаются к детекторам 37, 38 через волоконный светоделитель 44. Электронные выходы детекторов 36-39 соединены оптической связью с коррелятором импульсов 45, имеющем функции подсчета числа фотоотсчетов по каждому каналу, а также измерения числа совпадений фотоотсчетов между любыми двумя каналлами и измерения гистограммы времен задержки между импульсами, идущими по любым из двух каналов. Выход коррелятора имеет возможность подключения к устройству анализа и обработки данных (компьютеру) 46. Модуль гомодинного детектирования состоит из оптических волокон 63, 64, входы которых имеют возможность подключения к выходам оптических волокон 9 и 11 источника когерентных и тепловых состояний. Вторые торцы волокон 63, 64 располагаются в фокальных плоскостях линз кайл еров 56, 57, которые соединены оптической связью со входами поляризационного светоделителя 58, выход которого соединен оптической связью с полуволновой пластинкой 59 на 810 нм с просветляющим покрытием на диапазон 800-820 нм, установленной во вращающейся подвижке, соединенной оптической связью с линзой 60, соединенной оптической связью с поляризационным светоделителем 61, выходы которого соединены со входами балансного детектора 62, выполненного с возможностью измерения интенсивностей сигнала в каждом канале по отдельности, так и разности интенсивностей между каналами. На оптической связи между каплером 57 и поляризационным светоделителем 58 может быть расположено зеркало 65, установленное на пьезо-подвижке Детектор 62 размещают таким образом, чтобы его оптические входы находились в фокусе линзы 60. Детектор 62 соединен электрической связью с аналого-цифровым преобразователем 66 (АЦП) с возможностью подключения к устройству анализа и обработки данных (компьютеру) 46. The correlation measurement module consists of four single-photon detectors 36-39, the optical inputs of which are connected to the outputs of the optical fibers of the polarization measurement modules 35-32, respectively. In the case of investigating the Hong-Ou-Mandel interference, fibers 34, 33 are connected to detectors 37, 38 through a fiber beam splitter 44. The electronic outputs of detectors 36-39 are optically connected to a pulse correlator 45, which has the function of counting the number of photocounts for each channel, as well as measuring the number of coincidences of photocounts between any two channels and measuring the histogram of the delay times between pulses traveling along any of the two channels. The correlator output can be connected to a data analysis and processing device (computer) 46. The homodyne detection module consists of optical fibers 63, 64, the inputs of which can be connected to the outputs of optical fibers 9 and 11 of a source of coherent and thermal states. The second ends of the fibers 63, 64 are located in the focal planes of the lenses of the kaylers 56, 57, which are optically connected to the inputs of the polarizing beam splitter 58, the output of which is optically connected to a half-wave plate 59 at 810 nm with an antireflection coating for the 800-820 nm range installed in a rotating slide, optically connected to the lens 60, optically connected to a polarizing beam splitter 61, the outputs of which are connected to the inputs of the balanced detector 62, configured to measure the signal intensities in each channel separately and the intensity difference between the channels. On the optical link between the coupler 57 and the polarizing beam splitter 58, there can be a mirror 65 mounted on a piezo slider. The detector 62 is placed so that its optical inputs are in the focus of the lens 60. The detector 62 is electrically connected to an analog-to-digital converter 66 (ADC ) with the ability to connect to a data analysis and processing device (computer) 46.
Особенностью заявляемого изобретения является то, что каплер 50, заводящий излучение в оптоволокно, соединенное с одним из детекторов модуля корреляционных измерений, может быть установлен на трансляционной подвижке, а два детектора имеют возможность подключения к оптическим каналам через светоделитель, что позволяет наблюдать интерференцию Хонга-Оу-Манделя (задача 8). Кроме того, в каждом канале установлен не один, а два поляризационных преобразователя, что позволяет приготавливать и измерять любые однофотонные и бифотонные квантовые состояния, что позволяет в полном объеме реализовать задачи 2, 3, 6. Наличие источника когерентных и квазитепловых состояний, а также модуля гомодинного детектирования, позволяют в полном объеме реализовать задачи 4, 5 и 7. A feature of the claimed invention is that the coupler 50, which introduces radiation into the optical fiber, connected to one of the detectors of the correlation measurement module, can be installed on the translational slide, and two detectors can be connected to optical channels through a beam splitter, which makes it possible to observe the Hong-Oy interference -Mandel (task 8). In addition, not one, but two polarization converters are installed in each channel, which makes it possible to prepare and measure any one-photon and biphoton quantum states, which makes it possible to fully implement Problems 2, 3, 6. The presence of a source of coherent and quasi-thermal states, as well as a module homodyne detection, allow to fully implement tasks 4, 5 and 7.
Ниже представлено подробное описание работы стенда при решении перечисленных выше задач квантовой физики. Below is a detailed description of the work of the stand when solving the above problems of quantum physics.
Источником накачки для процесса спонтанного параметрического рассеяния служит лазерный диод 1, излучающий на длине волны 400-410 нм. Ток и температура диода стабилизируются контроллером 1а. Лазерное излучение коллимируется линзой и направляется на дифракционную решетку 2, установленную таким образом, чтобы максимум первого порядка отражался обратно в лазер. За счет этого образуется внешний резонатор с более высокой селективностью, что позволяет существенно сузить спектр излучения. Максимум нулевого порядка отражается от решетки и попадает в оптический изолятор 3, который предохраняет лазерный диод от обратной засветки, и на пару анаморфных призм 4, преобразующих эллиптическое сечение пучка в круглое. Затем с помощью каплера 47 излучение накачки заводится в оптическое волокно 5а. Все используемые оптические волокна являются одномодовыми и сохраняют поляризацию. The pump source for the process of spontaneous parametric scattering is a laser diode 1 emitting at a wavelength of 400-410 nm. The diode current and temperature are stabilized by controller 1a. Laser radiation collimated by the lens and directed to the diffraction grating 2, set in such a way that the maximum of the first order is reflected back into the laser. Due to this, an external resonator with a higher selectivity is formed, which makes it possible to significantly narrow the radiation spectrum. The zero-order maximum is reflected from the grating and enters the optical isolator 3, which protects the laser diode from back illumination, and a pair of anamorphic prisms 4, which convert the elliptical section of the beam into a circular one. Then, by means of a coupler 47, the pump radiation is introduced into the optical fiber 5a. All optical fibers used are single-mode and polarization-retaining.
Помимо лазера накачки, в системе присутствует источник когерентных и тепловых состояний света. В его основе лежит диодный лазер 6 с оптоволоконным выходом для излучения с длиной волны 810 нм. Ток и температура лазерного диода также стабилизируются контроллером 6а. Это излучение разделяется волоконным светоделителем 7 на две части: первая, когерентная, пропускается в волокно 9, а вторая — фокусируется на вращающемся матовом диске 10 и после дефазировки попадает в волокно 11. Таким образом, на выходе источника когерентных и тепловых состояний по волокну 9 выводится мощное когерентное состояние, используемое в качестве гомодина, а на выходе волокна 11 - тепловое состояние, если матовый диск вращается, и ослабленное когерентное состояние, если диск остановлен. In addition to the pump laser, the system contains a source of coherent and thermal states of light. It is based on a diode laser 6 with a fiber optic output for radiation with a wavelength of 810 nm. The current and temperature of the laser diode are also stabilized by the controller 6a. This radiation is divided by a fiber beam splitter 7 into two parts: the first, coherent, is transmitted into fiber 9, and the second is focused on the rotating matt disk 10 and, after dephasing, enters fiber 11. Thus, at the output of the source, coherent and thermal states are output through fiber 9 a powerful coherent state used as a homodyne, and at the output of fiber 11 - a thermal state if the matt disk rotates, and a weakened coherent state if the disk is stopped.
Для генерации бифотонов излучение лазера накачки выводится из волокна 5Ь, коллимируется линзой каплера 48, пропускается последовательно через поляризатор 12, пару фазовых пластин (четвертьволновую 14, и полуволновую 13, ориентированных под углами / и qp к вертикали, соответственно), задающих поляризационное состояние накачки, узкополосный фильтр 15, пропускающий линию излучения лазера, и после этого фокусируется линзой 17 на сборке 18 из двух нелинейных кристаллов BiBO толщиной 0,5 мм. Кристаллы вырезаны под углом коллинеарного вырожденного синхронизма I типа, их оси повернуты так, чтобы в первом кристалле под действием вертикально поляризованной накачки рождались пары фотонов с горизонтальной плоскостью поляризации \НН , а во втором - наоборот, под действием горизонтально поляризованной накачки - пары вертикально поляризованных фотонов | W). В общем же случае квантовое состояние бифотонов на выходе имеет вид снн \НН + Суу \w), для которого отношение модулей амплитуд |сяя|/|суу| определяется углом q а разность фаз
Figure imgf000018_0001
To generate biphotons, the pump laser radiation is extracted from fiber 5b, collimated by a coupler lens 48, passed sequentially through polarizer 12, a pair of phase plates (quarter-wave plate 14 and half-wave plate 13 oriented at angles f and q p to the vertical, respectively), which set the polarization state of the pump , a narrow-band filter 15 that transmits the laser radiation line, and then is focused by a lens 17 on an assembly 18 of two nonlinear BiBO crystals with a thickness of 0.5 mm. The crystals are cut at an angle of collinear degenerate phase-matching of type I, their axes are rotated so that in the first crystal, under the action of vertically polarized pumping, pairs of photons with a horizontal polarization plane HH are produced, and in the second, on the contrary, under the action of horizontally polarized pumping, pairs of vertically polarized photons | W). In the general case, the quantum state of biphotons at the output has the form with hn \ HH + C yy \ w), for which the amplitude ratio of the modules | with Yaya | / | c yy | is determined by the angle q and the phase difference
Figure imgf000018_0001
Рожденное в кристаллах 18 излучение, содержащее бифотоны, коллимируется линзой 19, а излучение накачки поглощается фильтром 20. Затем излучение бифотонов разделяется светоделителем 21 (нечувствительным к поляризации) на два канала «А» и «В». Необходимо отметить, что при этом с вероятностью 1/2 фотоны не разделятся и уйдут в один канал, но выделяя случаи, когда в каждом из каналов регистрируется по одному фотону, можно отсечь случаи, когда фотоны не разделились. В некоторых задачах вместо излучения бифотонов используются когерентные и тепловые состояния света, которые попадают в систему по оптоволокну 11, коллимируются линзой кайл ера 53 и подаются на второй вход светоделителя 21. The radiation generated in the crystals 18, containing biphotons, is collimated by the lens 19, and the pump radiation is absorbed by the filter 20. Then, the radiation of the biphotons is divided by a beam splitter 21 (insensitive to polarization) into two channels "A" and "B". It should be noted that in this case, with a probability of 1/2, the photons will not split and leave in one channel, but by highlighting the cases when one photon is recorded in each of the channels, it is possible to cut off the cases when the photons did not split. In some problems, instead of emitting biphotons, coherent and thermal states of light are used, which enter the system through optical fiber 11, are collimated by the lens of the kayler 53 and are fed to the second input of the beam splitter 21.
В каждом канале установлено по паре фазовых пластин (четвертьволновые 23, 27 и полуволновые 22, 26, установленные под углами f Al, fm , qA1 и qm , соответственно), которые вместе с пластинами, управляющими накачкой (13 и 14) позволяют приготовить произвольное чистое поляризационное состояние бифотона вида cHH \H)A \H)B + cHV \H)A \v)B + CyH \v)A \H)B + CyV \v)A \v)B . Затем в каждом канале установлено по еще одной паре пластин (четвертьволновые 25, 29 и полуволновые 24, 28, установленные под углами f А2, / в2, qA2 и qB2, сответственно) и поляризационные светоделители 30, 31, пропускающие вертикально поляризованные фотоны, и отражающие горизонтально поляризованные. Углы поворота фазовых пластин определяют измерительный базис, то есть вид операторов измерения
Figure imgf000018_0002
и
Figure imgf000018_0003
лв кажД°м канале. В каждом выходном канале светоделителей излучение фокусируется каплерами 49-52 в волокна 32 - 35, соединенные с однофотонными детекторами 39-36. Перед входом в каждое волокно установлены узкополосные фильтры 40, 40а, 41, 42, пропускающие излучение бифотонов, а также тепловые и когерентные состояния света на длине волны 810 нм, и отсекающие засветку. Каплер 50, фокусирующий излучение в волокно 33, установлен на трансляционную подвижку 43, позволяющую измерять провал Манделя. В этом случае волокна 33 и 34 подключаются к детекторам 37 и 38 через волоконный светоделитель 44. Все детекторы подключаются к коррелятору 45, который позволяет регистрировать количество фотоотсчетов в каждом канале и количество совпадений между любой парой каналов. Результат отправляется на компьютер. В автоматизированной версии положения всех фазовых пластин, а также трансляционной подвижки 43 задаются с компьютера.
Each channel has a pair of phase plates (quarter-wave 23, 27 and half-wave 22, 26, set at angles f Al , f m , q A1 and q m , respectively), which together with the plates controlling the pumping (13 and 14) allow prepare an arbitrary pure polarization state of a biphoton of the form c HH \ H) A \ H) B + c HV \ H) A \ v) B + C yH \ v) A \ H) B + C yV \ v) A \ v) B ... Then in each channel is set by another pair of plates (quarter-wave 25, 29 and half-wave 24, 28, mounted at angles f A2 / B2, q A2 and q B2, sotvetstvenno) and polarizing beam splitters 30, 31, skipping vertically polarized photons, and reflective horizontally polarized. The angles of rotation of the phase plates determine the measuring basis, that is, the type of measurement operators
Figure imgf000018_0002
and
Figure imgf000018_0003
l 1v in each D ° m channel. In each output channel of the beam splitters, the radiation is focused by couplers 49-52 into fibers 32-35 connected to single-photon detectors 39-36. In front of the entrance to each fiber, narrow-band filters 40, 40a, 41, 42 are installed, which transmit the radiation of biphotons, as well as thermal and coherent states of light at a wavelength of 810 nm, and cut off the illumination. The coupler 50, which focuses the radiation into the fiber 33, is mounted on the translational slide 43, which makes it possible to measure the Mandel dip. In this case, fibers 33 and 34 are connected to detectors 37 and 38 through a fiber beam splitter 44. All detectors are connected to correlator 45, which allows registering the number of photocounts in each channel and the number of matches between any pair of channels. The result is sent to the computer. In the automated version, the positions of all phase plates, as well as translational shifts 43, are set from a computer.
В задаче «Гомодинное детектирование» волокна источника когерентных и тепловых состояний 9 и 11 подключаются к волокнам 63 и 64 модуля гомодинного детектирования. Поляризационно сохраняющие волокна 9, 11, 63, 64 ориентированы таким образом, чтобы выходное излучение, коллимируемое капл ерами 56 и 57 было ортогонально поляризовано. Тогда излучение гомодина, распространяющееся по волокнам 9 и 63 и излучение исследуемого поля, распространяющегося по волокнам 11 и 64 сбиваются на поляризационном светоделителе 58 в одну пространственную моду, затем из поляризации поворачиваются на 45 градусов полуволновой пластинкой 59, и снова разделяются симметричным образом на два канала поляризационным светоделителем 61, каждый из которых с помощью линзы 60 фокусируется в оптический вход балансного детектора 62, измеряющего разность интенсивностей во входных каналах. Для изменения относительной фазы между гомодином и исследуемым излучением в оптический канал между капл ером 57 и светоделителем 58 устанавливают зеркало на пьезо-подвижке 63. 1. Задачу по проверке нарушения неравенства Белла решают следующим образом. In the "Homodyne detection" problem, the fibers of the source of coherent and thermal states 9 and 11 are connected to fibers 63 and 64 of the homodyne detection module. The polarization-retaining fibers 9, 11, 63, 64 are oriented such that the output radiation collimated by the droppers 56 and 57 is orthogonally polarized. Then the homodyne radiation propagating along the fibers 9 and 63 and the radiation of the investigated field propagating along the fibers 11 and 64 are knocked down on the polarizing beam splitter 58 into one spatial mode, then they are rotated from polarization by 45 degrees by a half-wave plate 59, and are again divided symmetrically into two channels polarizing beam splitter 61, each of which is focused with a lens 60 into the optical input of the balanced detector 62, which measures the intensity difference in the input channels. To change the relative phase between the homodyne and the radiation under study, a mirror on the piezo-slider 63 is installed in the optical channel between the coupler 57 and the beam splitter 58. 1. The problem of verifying the violation of Bell's inequality is solved as follows.
Углы поворота управляющих фазовых пластин / , qp, f Al, fm , qA1 и qm устанавливают таким образом, чтобы генерация бифотонов происходила в максимально перепутанном состоянии, например, в одном из состояний Белла: lF0= (liiL|H>B ± l^ l ')»)/^2 и™ lY0= (HJl IF)J»)s)/ 2 . Затем определяют два набора углов измерительных фазовых пластин / АА 1 , / ^'2 21 , сЦ 2) и Чв? ·> для которых величина переменной Белла у принимает максимальное
Figure imgf000019_0001
значение. После чего проводят измерение переменной Белла и оценивают статистическую погрешность результата измерения. Важно убедиться, что
Figure imgf000019_0002
2.
The angles of rotation of the control phase plates /, q p , f Al , f m , q A1 and q m are set so that the generation of biphotons occurs in a maximally entangled state, for example, in one of the Bell states: l F 0 = (l ii L | H> B ± l ^ l ') ") / ^ 2 and ™ l Y 0 = (HJ l I F ) J") s ) / 2 . Then determine two sets of angles of the measuring phase plates / A A 1 , / ^ ' 2 21 , SC 2) and Chv? > For which the value of the Bell variable y takes the maximum
Figure imgf000019_0001
value. Then the Bell variable is measured and the statistical error of the measurement result is estimated. It is important to make sure that
Figure imgf000019_0002
2.
2. Исследование томографии поляризационных кубитов и куквартов осуществляют следующим образом. Углы поворота управляющих фазовых пластин / , q , f Al, fm , qA1 и qBl устанавливают таким образом, чтобы генерация бифотонов происходила в максимально перепутанном состоянии, например, в некотором заданном состоянии:
Figure imgf000020_0001
Выбирают некоторый протокол измерений - набор операторов измерения
Figure imgf000020_0002
J, {Д° J, и для каждой комбинации операторов за некоторое фиксированное время измеряют количество событий, соответствующих каждому из четырех исходов. Результат записывают в файл. Дальше этот файл обрабатывают на компьютере с использованием метода максимального правдоподобия с восстановлением квантовое состояния. Восстановленное состояние сравнивают с заданным и рассчитывают фиделити. При этом возможны несколько вариантов заданий:
2. Investigation of tomography of polarization qubits and quarts is carried out as follows. The angles of rotation of the control phase plates /, q, f Al , f m , q A1 and q Bl are set in such a way that the generation of biphotons occurs in a maximally entangled state, for example, in a given state:
Figure imgf000020_0001
Select some measurement protocol - a set of measurement operators
Figure imgf000020_0002
J, {D ° J, and for each combination of operators for a certain fixed time the number of events corresponding to each of the four outcomes is measured. The result is written to a file. This file is then processed on a computer using the maximum likelihood method with quantum state restoration. The restored state is compared with the preset one and the fidelity is calculated. In this case, several options for tasks are possible:
- Исходное двухфотонное (двухкубитное) состояние факторизованное, тогда состояние поляризационного кубита в каждом канале чистое. Анализируют результаты измерений только одного кубита, и на их основе восстанавливают чистое состояние. - The initial two-photon (two-qubit) state is factorized, then the state of the polarization qubit in each channel is clean. The results of measurements of only one qubit are analyzed, and on their basis, the pure state is restored.
- Для того же набора данных состояние кубита восстанавливают как смешанное и оценивают его чистоту. - For the same dataset, the qubit state is reconstructed as mixed and its purity is assessed.
- Исходное двухкубитное состояние перепутанное, тогда состояние кубита в каждом канале смешанное. На основе результатов измерений восстанавливают смешанное состояние кубита. - The initial two-qubit state is entangled, then the state of the qubit in each channel is mixed. Based on the measurement results, the mixed state of the qubit is reconstructed.
- Анализируют полный объем данных для двухкубитного состояния, как для факторизованного, так и для перепутанного состояния. В каждом случае производят оценку состояния как чистого, так и перепутанного. - Analyze the full amount of data for a two-qubit state, for both factorized and entangled states. In each case, the state of both clean and entangled is assessed.
- Для каждого из заданий можно оценить зависимость фиделити от объема выборки. - For each of the tasks, the dependence of fidelity on the sample size can be estimated.
3. Исследование томографии однокубитных квантовых процессов осуществляют следующим образом. 3. The study of tomography of one-qubit quantum processes is carried out as follows.
Углы поворота управляющих фазовых пластин / , qp , f Al, fm , qA1 и qm устанавливают таким образом, чтобы генерация бифотонов происходила в факторизованном состоянии: \н Ав . Фотон в канале «А» используют как триггерный, а в канале «В» - для томографии квантового процесса. Квантовый процесс реализуют некоторым поляризационным элементом, установленным между фазовыми пластинками 27 и 28. Для томографии квантового процесса приготавливают набор входных квантовых состояний (посредством выбора различных углов f т и qB1 ), а для каждого выходного состояния производят набор измерений (посредством выбора различных углов f в2 и qB2). The angles of rotation of the control phase plates /, q p , f Al , f m , q A1 and q m are set in such a way that the generation of biphotons occurs in the factorized state: \ n A \ n c. The photon in the "A" channel is used as a trigger, and in the "B" channel - for the tomography of the quantum process. The quantum process is realized with some polarizing element installed between phase plates 27 and 28. For imaging quantum process a set of input prepared quantum states (by selecting different angles f m and q B1), and produce a set of measurements (by selecting different angles f c2 and q B2) for each output condition.
Результаты измерений записывают в файл, и затем восстанавливают унитарную матрицу, или хи-матрицу, описывающую квантовый процесс. The measurement results are written to a file, and then the unitary matrix, or chi-matrix, describing the quantum process, is reconstructed.
4. Задачу квантового распределения ключа решают следующим образом. 4. The problem of quantum key distribution is solved as follows.
Настоящая установка позволяет реализовать различные протоколы квантового распределения ключа. Далее представлено описание трех вариантов. This setup allows the implementation of various quantum key distribution protocols. The following is a description of the three options.
Вариант 1. Протокол ВВ84 (версия 1). Углы поворота управляющих фазовых пластин / , q , f Al , f т , qA1 и qB1 устанавливают таким образом, чтобы генерация бифотонов происходила в факторизованном состоянии: \н Ав . Фотон в каналеOption 1. Protocol BB84 (version 1). The angles of rotation of the control phase plates /, q, f Al , f t , q A1 and q B1 are set in such a way that the generation of biphotons occurs in the factorized state: \ n A \ n c. Photon in the channel
«А» использует как триггерный, а в канале «В» - для передачи ключа. В этом случае Алиса приготавливает квантовое состояние фотона, задавая углы / т и qB1 , а Боб выбирает измерительный базис, задавая положения пластин f в2 и qB2. Заранее генерируется последовательность случайных бит ключа, последовательность базисов Алисы и последовательность базисов Боба. Реализуется передача ключа, данные записывают в файл. Производят анализ полученных данных: просеивание ключа, анализ процента ошибок. Аналогичным образом можно реализовать и другие однопроходные протоколы, на пример, В92. Опционально, можно также внести в канал связи помехи, связанные с действиями Евы. Например, поставить между фазовыми пластинками 27 и 28 поляризатор, угол поворота которого также выбирается случайно. Чтобы ускорить процесс передачи ключа, можно просто последовательно перебрать все комбинации углов поворота пластин Алисы и Боба, для каждого набора получить отдельный набор данных, а потом перемешать их в соответствии с тем, в какой последовательности идут случайные состояния Алисы и случайные базисы Боба. "A" is used as a trigger, and in channel "B" - for key transmission. In this case Alice prepares a quantum state of a photon, by setting the angles / m and q B1, and Bob chooses a measuring basis, setting position and the plates f c2 q B2. A sequence of random key bits, a sequence of Alice's bases and a sequence of Bob's bases are generated in advance. The key is transferred, the data is written to a file. Analyze the data obtained: sifting the key, analyzing the percentage of errors. Similarly, you can implement other one-pass protocols, for example, B92. Optionally, you can also introduce interference into the communication channel related to the actions of Eve. For example, put a polarizer between the phase plates 27 and 28, the rotation angle of which is also randomly selected. To speed up the key transfer process, you can simply sequentially iterate over all combinations of the angles of rotation of Alice's and Bob's plates, obtain a separate data set for each set, and then mix them in accordance with the sequence in which Alice's random states and Bob's random bases go.
Вариант 2. Протокол ВВ84 (версия 2). Углы поворота управляющих фазовых пластин / , qp , fAl , fBl , qAl и qm и устанавливают таким образом, чтобы генерация бифотонов происходила в перепутанном состоянии. В этом случае станции Алисы отвечает канал «А», а станции Боба - канал «В». Алиса и Боб случайным образом выбирают измерительные базисы, и проводят измерения. Результаты измерений записываются в файл и анализируются аналогично тому, как это делалось в предыдущем пункте. Таким же образом можно реализовать и другие однопроходные протоколы. Option 2. Protocol BB84 (version 2). The angles of rotation of the control phase plates /, q p , f Al , f Bl , q Al and q m and are set so that the generation of biphotons occurs in an entangled state. In this case, Alice's station is answered by channel "A", and Bob's station is answered by channel "B". Alice and Bob measuring bases are randomly selected, and measurements are carried out. The measurement results are written to a file and analyzed in the same way as it was done in the previous paragraph. Other single-pass protocols can be implemented in the same way.
Вариант 3. Протокол Эккерта. Параметры установки такие же, как и в предыдущем пункте, но Алиса и Боб выбирают измерительные базисы таким образом, чтобы параллельно с распределением ключа была возможность измерять неравенства Белла. Соответственно, при обработке данных, помимо ключа и ошибок, необходимо также убедиться в нарушении неравенств Белла. Option 3. Eckert's protocol. The setup parameters are the same as in the previous paragraph, but Alice and Bob choose the measurement bases in such a way that, in parallel with the key distribution, it is possible to measure Bell's inequalities. Accordingly, when processing data, in addition to the key and errors, it is also necessary to make sure that Bell's inequalities are violated.
5. Исследование статистики фотонов осуществляют следующим образом. 5. Investigation of the statistics of photons is carried out as follows.
Данная задача посвящена исследованию статистики фотоотсчетов различных квантовых состояний света: однофотонного, двухфотонного, когерентного, теплового. This problem is devoted to the study of the statistics of photocounts of various quantum states of light: one-photon, two-photon, coherent, thermal.
1. Когерентное состояние света. Лазер накачки выключают (перекрывают), на вход системы подают когерентное состояние света от красного лазера. Для анализа используют только канал «А». 1. Coherent state of light. The pump laser is turned off (blocked), the coherent state of light from the red laser is fed to the input of the system. Only channel "A" is used for analysis.
1Л. Измерение автокорреляционной функции проводят с использованием двух детекторов. Углы фазовых пластин f Al, qA1 , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы скорость счета детекторов 38 и 39 была одинаковой. Сигналы с этих детекторов отправляют на старт-стоп схему, события «стоп» проходят через электронную линию задержки, и измеряют гистограмму времен между событиями «старт» и «стоп». 1L. The measurement of the autocorrelation function is carried out using two detectors. The angles of the phase plates f Al , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detectors 38 and 39 is the same. The signals from these detectors are sent to the start-stop circuit, the stop events pass through the electronic delay line, and the histogram of the times between the start and stop events is measured.
1.2. Измерение автокорреляционной функции с использованием одного детектора. Углы фазовых пластин f Al, qA1 , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 39 была максимальной. Сигналы с этого детектора отправляют на старт-стоп схему, таким образом измеряют гистограмму времен между соседними импульсами. Изменяя углы f Al, qAl , f А и qA2 можно изменять скорость счета фотонов в канале, и снимать гистограммы для различных ее значений. 1.2. Measurement of the autocorrelation function using a single detector. The angles of the phase plates f Al , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detector 39 is maximum. The signals from this detector are sent to the start-stop circuit, thus measuring the histogram of times between adjacent pulses. By changing the angles f Al , q Al , f A and q A2, you can change the photon count rate in the channel, and take histograms for its different values.
1.3. Измерение автокорреляционных функций высших порядков. Углы фазовых пластин/А1 , qA1 , f А2, qA2, fm, qm , f в2,
Figure imgf000022_0001
задают таким образом, чтобы скорость счета всех четырех детекторов была одинаковой. В течение некоторого времени измеряют количество единичных фотоотсчетов в каждом канале, а также количество двойных, тройных и четверных совпадений. Рассчитывают значения корреляционных функций второго, третьего и четвертого порядка в нуле.
1.3. Measurement of higher-order autocorrelation functions. The angles of the phase plates / A1 , q A1 , f A2 , q A2 , f m , q m , f b2 ,
Figure imgf000022_0001
set so that the count rate of all four detectors is the same. For some time, the number of single photocounts in each channel is measured, as well as the number of double, triple and quadruple coincidences. Calculate the values of the correlation functions of the second, third and fourth order at zero.
1.4. Измерение распределения по числу фотонов. Углы фазовых пластин f А1 , Л\ ’ f А2 и Чм задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 39 была максимальной. На один вход «старт» старт-стоп схемы подают периодический сигнал с периодом 1-10 мс. На вход стоп - сигналы с детектора 39. Производят набор измерений количества фотоотсчетов за некоторое фиксированное время накопления, определяемое окном схемы совпадений. Строят гистограмму количества фотоотсчетов (совпадений), отражающую распределение по числу фотонов. Можно построить гистограммы для разных значений времени накопления. Изменяя углы /А1, qA1 , f А2 и qA2 можно изменять скорость счета фотонов в канале и снимать гистограммы для различных ее значений. 1.4. Measurement of the distribution by the number of photons. The angles of the phase plates f A1 , L \ 'f A 2 and FM are set in such a way that the count rate of the detector 39 is maximum. One input "start" of the start-stop circuit is fed with a periodic signal with a period of 1-10 ms. Stop signals from detector 39 are applied to the input. A set of measurements of the number of photocounts is made for some fixed accumulation time, determined by the coincidence circuit window. A histogram of the number of photocounts (coincidences) is built, reflecting the distribution by the number of photons. You can build histograms for different values of the accumulation time. By changing the angles / A1 , q A1 , f A2 and q A2, you can change the photon count rate in the channel and take histograms for its different values.
1.5. Реализация отщепления фотона. Углы фазовых пластин f Al , qA1 , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы среднее количество фотонов за фиксированное время накопления, регистрируемое детектором 38, было 0,1. В корреляторе задействуются одновременно две старт-стоп схемы. На вход «старт» обеих схем подают периодический сигнал с периодом 1-10 мс. На вход стоп одной схемы подают импульсы с детектора 39, а другой - импульсы с детектора 38. Производят набор измерений количества фотоотсчетов каждого из детекторов за некоторое фиксированное время накопления, определяемое окном схемы совпадений. Строят гистограмму количества фотоотсчетов детектора 39, соответствующую исходному распределению по числу фотонов, и гистограмму фотоотсчетов детектора DAH при условии регистрации одного фотона детектором 38, - условное распределение, соответствующее отщеплению одного фотона. Можно показать, что для когерентного состояния отщепление фотона не влияет на вид распределения. 1.5. Implementation of photon splitting. The angles of the phase plates f Al , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the average number of photons over a fixed accumulation time recorded by the detector 38 is 0.1. The correlator uses two start-stop circuits simultaneously. A periodic signal with a period of 1-10 ms is supplied to the "start" input of both circuits. Pulses from detector 39 are fed to the stop input of one circuit, and pulses from detector 38 are fed to the other. A set of measurements of the number of photocounts of each of the detectors is made for a certain fixed accumulation time determined by the coincidence circuit window. A histogram of the number of photocounts of the detector 39 is plotted, corresponding to the initial distribution by the number of photons, and a histogram of the photocounts of the DAH detector, provided that one photon is detected by the detector 38, a conditional distribution corresponding to the splitting off of one photon. It can be shown that for a coherent state, the splitting off of a photon does not affect the form of the distribution.
2. Тепловые состояния света. Лазер накачки выключают (перекрывают), на вход системы подают тепловое состояние света от красного лазера, пропущенного через вращающийся матовый диск. Для анализа используют только канал «А». 2. Thermal states of light. The pumping laser is turned off (blocked), the thermal state of the light from the red laser transmitted through the rotating matt disk is fed to the input of the system. Only channel "A" is used for analysis.
2.1. Измерение автокорреляционной функции с использованием двух детекторов. Углы фазовых пластин f Al , qAl , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы скорость счета детекторов 38 и 39 была одинаковой. Сигналы с этих детекторов отправляют на старт-стоп схему, события «стоп» проходят через электронную линию задержки, и измеряют гистограмму времен между событиями «старт» и «стоп». Измеряют время корреляции. Можно провести несколько измерений изменяя скорость вращения матового диска. 2.1. Measurement of the autocorrelation function using two detectors. The angles of the phase plates f Al , q Al , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detectors 38 and 39 is the same. Signals from these detectors the circuit is sent to the start-stop, the “stop” events pass through the electronic delay line, and the histogram of the times between the “start” and “stop” events is measured. The correlation time is measured. Several measurements can be taken by changing the rotation speed of the matte disc.
2.2. Измерение автокорреляционной функции с использованием одного детектора. Углы фазовых пластин/А1, qA1 , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 39 была максимальной. Сигналы с этого детектора отправляют на старт-стоп схему, таким образом измеряют гистограмму времен между соседними импульсами. Изменяя углы f Al , qAl , f л2 и qA2 можно изменять скорость счета фотонов в канале и снимать гистограммы для различных ее значений. 2.2. Measurement of the autocorrelation function using a single detector. The angles of the phase plates / A1 , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detector 39 is maximum. The signals from this detector are sent to the start-stop circuit, thus measuring the histogram of times between adjacent pulses. By changing the angles f Al , q Al , f L2 and q A2, you can change the photon count rate in the channel and take histograms for different values.
2.3. Измерение автокорреляционных функций высших порядков. Углы фазовых пластин/ А1 , qA1 , / А2 , qA2 , / т , qBl , f в2, qB2 , задают таким образом, чтобы скорость счета всех четырех детекторов была одинаковой. В течение некоторого времени измеряют количество единичных фотоотсчетов в каждом канале, а также количество двойных, тройных и четверных совпадений. Рассчитывают значения корреляционных функций второго, третьего и четвертого порядка в нуле. 2.3. Measurement of higher-order autocorrelation functions. Angles phase plates / A1, q A1, / A2, q A2, / r, q Bl, f c2, q B2, is set so that the counting rate of the four detectors is the same. For some time, the number of single photocounts in each channel is measured, as well as the number of double, triple and quadruple coincidences. Calculate the values of the correlation functions of the second, third and fourth order at zero.
2.4. Измерение распределения по числу фотонов. Углы фазовых пластин f А1, Л \ ’ f А2 и Чм задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 39 была максимальной. На один вход «старт» старт-стоп схемы подают периодический сигнал с периодом 1-10 мс. На вход стоп - сигналы с детектора 39. Производят набор измерений количества фотоотсчетов за некоторое фиксированное время накопления, меньшее времени корреляции, определяемое окном схемы совпадений. Строят гистограмму количества фотоотсчетов (совпадений), отражающую распределение по числу фотонов. Можно построить гистограмму для разных значений времени накопления. Изменяя углы f Al, qAl , f л2 и qA2 можно изменять скорость счета фотонов в канале, и снимать гистограммы для различных ее значений. 2.4. Measurement of the distribution by the number of photons. The angles of the phase plates f A1 , L \ 'f A2 and FM are set in such a way that the count rate of the detector 39 is maximum. One input "start" of the start-stop circuit is fed with a periodic signal with a period of 1-10 ms. At the input stop - signals from the detector 39. A set of measurements of the number of photocounts is made for some fixed accumulation time, less than the correlation time determined by the coincidence circuit window. A histogram of the number of photocounts (coincidences) is built, reflecting the distribution by the number of photons. You can build a histogram for different accumulation times. By changing the angles f Al , q Al , f l2 and q A2, you can change the photon count rate in the channel, and take histograms for its different values.
2.5. Реализация отщепления фотона. Углы фазовых пластин / Al , qA1 , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы было среднее количество фотонов за фиксированное время накопления, меньшее времени корреляции, регистрируемое детектором 38 было 0, 1. В корреляторе задействуются одновременно две старт-стоп схемы. На вход «старт» обеих схем подают периодический сигнал с периодом 1-10 мс. На вход стоп одной схемы подают импульсы с детектора 39, а другой - импульсы с детектора 38. Производят набор измерений количества фотоотсчетов каждого из детекторов за некоторое фиксированное время накопления, определяемое окном схемы совпадений. Строят гистограмму количества фотоотсчетов детектора 39, соответствующую исходному распределению по числу фотонов, и гистограмму фотоотсчетов детектора 39 при условии регистрации одного фотона детектором 38, - условное распределение, соответствующее отщеплению одного фотона. Можно показать, что для теплового состояния отщепление фотонов существенно изменяет форму распределения и удваивает среднее значение. 2.5. Implementation of photon splitting. The angles of the phase plates / Al , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the average number of photons for a fixed accumulation time is less than the correlation time recorded by the detector 38 was 0, 1. Two start-stop circuits are used simultaneously in the correlator. A periodic signal with a period of 1-10 ms is supplied to the "start" input of both circuits. Pulses from detector 39 are fed to the stop input of one circuit, and the other - pulses from the detector 38. A set of measurements of the number of photocounts of each of the detectors is made for a certain fixed accumulation time determined by the coincidence circuit window. A histogram of the number of photocounts of the detector 39 is constructed, corresponding to the initial distribution by the number of photons, and a histogram of the photocounts of the detector 39, subject to the registration of one photon by the detector 38, a conditional distribution corresponding to the splitting off of one photon. It can be shown that for the thermal state, the splitting off of photons significantly changes the shape of the distribution and doubles the average value.
3. Условное однофотоное состояние. Красный лазер (810 нм) отключают, включают лазер накачки. Углы поворота управляющих фазовых пластин / , q , fM, fm, qM и qBl устанавливают таким образом, чтобы генерация бифотонов происходила в факторизованном состоянии: \н |//) .Фотон в канале «В» используют как триггерный, таким образом исследуют условное однофотонное состояние в канале «А». Углы фазовых пластин fm, qm , f в2 и qB2 задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 36 была максимальной. В силу того, что оба фотона могли пойти в один канал, а также из-за прочих оптических потерь, условное состояние света в канале «А» будет иметь также примесь вакуумного состояния. 3. Conditional one-photon state. The red laser (810 nm) is turned off, the pumping laser is turned on. The angles of rotation of the control phase plates /, q, f M , f m , q M and q Bl are set so that the generation of biphotons occurs in a factorized state: \ n | //). The photon in channel "B" is used as a trigger, so the conditional one-photon state in channel "A" is investigated in this way. Angles phase plates f m, q m, f c2 and q B2 is set so that the count rate of the detector 36 is a maximum. Due to the fact that both photons could go into the same channel, as well as due to other optical losses, the conditional state of light in channel "A" will also have an admixture of the vacuum state.
3.1. Измерение временной моды условного однофотонного состояния на основе измерения корреляционной функции второго порядка. Углы фазовых пластин f А\ , q,\\ - f А2 и с \2 задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 39 была максимальной. На вход «старт» старт-стоп схемы подключают сигнал с детектора 36, а на вход «стоп» - с детектора 39. Измеряют гистограмму времен между событиями «старт» и «стоп». Определяют ширину гистограммы. 3.1. Measurement of the time mode of the conditional one-photon state based on the measurement of the second-order correlation function. The angles of the phase plates f A \ , q , \\ - f A 2 and c \ 2 are set in such a way that the count rate of the detector 39 is maximum. The signal from the detector 36 is connected to the “start” input of the start-stop circuit, and the signal from the detector 36 is connected to the “stop” input. The histogram of the times between the “start” and “stop” events is measured. Determine the width of the histogram.
3.2. Измерение автокорреляционной функции с использованием одного детектора. Углы фазовых пластин/А1, qA1 , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 39 была максимальной. Сигналы с этого детектора отправляют на старт-стоп схему, таким образом измеряют гистограмму времен между соседними импульсами. Опционально, можно измерять те же распределения при условии регистрации фотона в сопряженном канале детектором 36. 3.2. Measurement of the autocorrelation function using a single detector. The angles of the phase plates / A1 , q A1 , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detector 39 is maximum. The signals from this detector are sent to the start-stop circuit, thus measuring the histogram of times between adjacent pulses. Optionally, the same distributions can be measured provided that a photon is detected in the conjugate channel by detector 36.
3.3. Измерение автокорреляционной функции с использованием трех детекторов. Углы фазовых пластин f Al, qAl , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы скорость счета детекторов 38 и 39 была одинаковой. Сигналы с этих детекторов отправляют на старт-стоп схему, события «стоп» проходят через электронную линию задержки, и измеряют гистограмму времен между событиями «старт» и «стоп». При этом запись событий происходит при условии срабатывания другой старт-стоп схемы, регистрирующей совпадение фотоотсчетов между детекторами 39 и 36. Определяют глубину и ширину провала корреляционной функции. 3.3. Measurement of the autocorrelation function using three detectors. The angles of the phase plates f Al , q Al , f A2 and q A2 are set in such a way that the count rate of detectors 38 and 39 was the same. The signals from these detectors are sent to the start-stop circuit, the stop events pass through the electronic delay line, and the histogram of the times between the start and stop events is measured. In this case, events are recorded under the condition that another start-stop circuit is triggered, registering the coincidence of photocounts between detectors 39 and 36. The depth and width of the dip of the correlation function are determined.
6. Решения задачи, связанной с исследованиями квантового генератора случайных чисел, осуществляют следующим образом. 6. The solution of the problem related to the research of the quantum random number generator is carried out as follows.
Поскольку квантовые процессы принципиально недетерминированы, то именно квантовый генератор случайных чисел будет максимально защищен от возможного предсказания его исходов. Настоящая схема позволяет реализовать множество различных квантовых генераторов случайных чисел. В их основе лежат свойства когерентного излучения. Лазер накачки выключают (перекрывают), на вход системы подают когерентное состояние света от красного лазера. 1. Углы фазовых пластин/ А1 , qA1 , f А2, qA2, fm, qm , f B2, qB2, задают таким образом, чтобы скорость счета всех четырех детекторов была одинаковой. За один такт генерируется два бита информации. В каждом такте измерение идет до того момента, пока хотя бы один фотон будет зарегистрирован любым из четырех детекторов. Далее в зависимости от того, какой детектор сработал, записывают число от 0 до 3. Измерения повторяют до тех пор, пока не будет сгенерирована достаточно большая последовательность случайных чисел. Далее эту последовательность записывают в файл, подвергают постобработке и проверке. Since quantum processes are fundamentally non-deterministic, it is the quantum random number generator that will be maximally protected from possible prediction of its outcomes. This scheme allows many different quantum random number generators to be implemented. They are based on the properties of coherent radiation. The pump laser is turned off (blocked), the coherent state of light from the red laser is fed to the input of the system. 1. The angles of the phase plates / A1 , q A1 , f A2 , q A2 , f m , q m , f B2 , q B2 , are set so that the count rate of all four detectors is the same. Two bits of information are generated in one clock cycle. In each cycle, the measurement continues until at least one photon is registered by any of the four detectors. Then, depending on which detector triggered, record a number from 0 to 3. Measurements are repeated until a sufficiently large sequence of random numbers is generated. Then this sequence is written to a file, post-processed and verified.
2. Углы фазовых пластин/А1 , qAl , f А2 и qA2 задают таким образом, чтобы скорость счета детектора 39 была максимальной. Сигналы с этого детектора отправляют на старт-стоп схему, таким образом измеряют времена между соседними импульсами. Последовательность этих времен и играет роль последовательности случайных чисел. Далее эту последовательность записывают в файл, подвергают постобработке и проверке. 2. The angles of the phase plates / A1 , q Al , f A2 and q A2 are set so that the count rate of the detector 39 is maximum. The signals from this detector are sent to the start-stop circuit, thus measuring the times between adjacent pulses. The sequence of these times also plays the role of a sequence of random numbers. Then this sequence is written to a file, post-processed and verified.
7. Задачу интерференции Хонга-Оу-Манделя решают следующим образом. 7. The problem of the Hong-Ou-Mandel interference is solved as follows.
Углы поворота управляющих фазовых пластин f , qp выставляют таким образом, чтобы состояние света после пары кристаллов имело вид d НН)- \w )/ f2 = ( DA)+ \AD)')/ f2 , где состояния \D)= ( н)+ \v))/yf2 и |A) = (I Я)- |\/ )/Л/2 отвечают диагональной и антидиагональной поляризации фотона. Тогда состояние в каналах «А» и «В» будет иметь вид
Figure imgf000027_0001
пластин /А1, qM , f А2 и qA2 устанавливают таким образом, чтобы диагонально поляризованный фотон заходил в волокно 33, а углы fm , qm , f в2 , qB2 - таким образом, чтобы антидиагонально поляризованный фотон заходил в волокно 34. Волокна 33 и 34 подключают к детекторам 37 и 38 через волоконный светоделитель 44. Измеряется количество совпадений фотоотсчетов между детекторами 37 и 38 в зависимости от положения трансляционной подвижки 43. При определенном положении подвижки будет наблюдаться провал совпадений - провал Манделя.
The angles of rotation of the control phase plates f, q p are set so that the state of light after a pair of crystals has the form d НН) - \ w) / f2 = (DA) + \ AD) ' ) / f2, where the states \ D) = ( n) + \ v)) / yf2 and | A) = (I H) - | \ /) / A / 2 correspond to the diagonal and antidiagonal polarization of the photon. Then the state in channels "A" and "B" will have the form
Figure imgf000027_0001
plates / A1, q M, f A2 and q A2 is set so as to diagonally polarized photon went into fiber 33, and the angles f m, q m, f c2, q B2 - so that antidiagonal polarized photon sign into the fiber 34 Fibers 33 and 34 are connected to detectors 37 and 38 through a fiber beam splitter 44. The number of coincidences of photocounts between detectors 37 and 38 is measured, depending on the position of translational slider 43. At a certain position of the slider, a coincidence failure will be observed - Mandel's dip.
Можно измерить ширину провала в зависимости от ширины полосы пропускания фильтров 40, 41, 42. You can measure the width of the notch depending on the bandwidth of the filters 40, 41, 42.
Также можно изменить углы фазовых пластин f Al, qAl , f А2 и qA2 таким образом, чтобы в волокно 33 заходил антидиагонально поляризованный фотон. В этом случае вместо провала в совпадениях будет наблюдаться пик. It is also possible to change the angles of the phase plates f Al , q Al , f A2 and q A2 so that an antidiagonally polarized photon enters the fiber 33. In this case, instead of a dip in coincidence, a peak will be observed.
8. Задачу гомодинного детектирования решают следующим образом. 8. The problem of homodyne detection is solved as follows.
Источник тепловых и когерентных состояний подключают к модулю гомодинного детектирования. Исследуют зависимость разностной интенсивности, регистрируемой детектором 62 от времени и от фазы гомодина в зависимости от скорости вращения матового 10. The source of thermal and coherent states is connected to the homodyne detection module. Investigate the dependence of the difference intensity recorded by the detector 62 on time and on the homodyne phase as a function of the rotational speed of the matt 10.
Все перечисленные выше исследования были проведены на учебно-научном лабораторном стенде, который был изготовлен по схеме, представленной на чертеже. При этом была использована элементная база, представленная в перечисленных интернет-источниках: лазерный диод 1 с длиной волны 405 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=L405P150); контроллер тока и температуры 1а для лазерного диода 1All of the above studies were carried out on an educational and scientific laboratory bench, which was made according to the scheme shown in the drawing. In this case, the element base presented in the listed Internet sources was used: laser diode 1 with a wavelength of 405 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=L405P150); current and temperature controller 1a for laser diode 1
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberMTC102); дифракционная решетка 2 для создания внешнего резонатора к диоду 1, 1200 штрихов/мм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=GR25-1204); оптический изолятор Фарадея 3 на длине волны 405 нм(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberMTC102); diffraction grating 2 for creating an external resonator to diode 1, 1200 lines / mm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=GR25-1204); optical Faraday isolator 3 at a wavelength of 405 nm
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberMO-3D-405-PBS); пара анаморфных призм 4 для преобразования профиля луча диода 1(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberMO-3D-405-PBS); pair of anamorphic prisms 4 to convert the beam profile of diode 1
(https ://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PS 873 -А) ; одномодовое поляризационно сохраняющее волокно 5а, b на 405 нм(https: //www.thorlabs.com/thorproduct.cfm? partnumber = PS 873 -A); singlemode polarization-preserving fiber 5a, b at 405 nm
(https://shop.ozoptics.com/qpmj-3a3a-400-3125-3-l-l); лазерный диод 6 с длиной волны 810 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=L808P200); контроллер тока и температуры 6а для лазерного диода 6 (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberfTC 102); одномодовый поляр изационо сохраняющий волоконный светоделитель 7 на 810 нм; одномодовое поляризационно сохраняющее волокно 9 и 11 на 810 нм (https://shop.ozoptics.com/pmj-3a3a-850-5125-3-l-l); вращающийся матовый диск 10, с характерным размером зерна матирования 30 мкм, диаметром 5-15 см, толщиной 0,5 - 2 мм, частотой вращения от 0 до 10 об/с; поляризатор 12 для излучения на длине волны 405 нм(https://shop.ozoptics.com/qpmj-3a3a-400-3125-3-l-l); laser diode 6 with a wavelength of 810 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=L808P200); current and temperature controller 6a for laser diode 6 (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberfTC 102); single-mode polar isation-conserving fiber beam splitter 7 at 810 nm; single-mode polarization-storing fiber 9 and 11 at 810 nm (https://shop.ozoptics.com/pmj-3a3a-850-5125-3-l-l); a rotating matte disc 10, with a characteristic matting grain size of 30 microns, a diameter of 5-15 cm, a thickness of 0.5-2 mm, a rotation frequency of 0 to 10 rev / s; polarizer 12 for radiation at a wavelength of 405 nm
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LPVISE100-A); полуволновая пластинка 13 нулевого порядка с просветлением на длине волны 405 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPH10E-405); четвертьволновая пластинка 14 нулевого порядка с просветлением на длине волны 405 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPQ10E-405); bandpass-фильтр 15 на 405 нм с шириной на полувысоте 10 нм(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LPVISE100-A); half-wave plate 13 of the zero order with antireflection at a wavelength of 405 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPH10E-405); quarter-wave plate 14 of the zero order with antireflection at a wavelength of 405 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPQ10E-405); bandpass filter 15 at 405 nm with 10 nm FWHM
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=FB405-10); зеркало 16а, 16Ь, отражающее в диапазоне 780-850 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=BBl-E03); линза 17 плоско- выгнутая с просветлением на 405 нм, фокусное расстояние 40 мм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LA4306-A); пара скрещенных кристаллов BiBO 18, толщина каждого 0,5 мм(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=FB405-10); mirror 16a, 16b, reflecting in the 780-850 nm range (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=BBl-E03); lens 17 flat-curved with antireflection at 405 nm, focal length 40 mm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LA4306-A); a pair of crossed BiBO 18 crystals, each 0.5 mm thick
(http://www.newlightphotonics.com/vl/bibo-standardproducts.html); линза 19 плоско- выгнутая с просветлением на 805-815 нм, фокусное расстояние 40 мм(http://www.newlightphotonics.com/vl/bibo-standardproducts.html); lens 19 flat-curved with antireflection coating at 805-815 nm, focal length 40 mm
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LA1422-B); notch-фильтр 20 на 405 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberfNE405-13); светоделительная пластина 21 (50:50) в диапазоне 805-815 нм(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=LA1422-B); notch filter 20 at 405 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberfNE405-13); beam splitter 21 (50:50) in the range 805-815 nm
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=BSW29); полуволновый пластинки нулевого порядка 22, 24, 26, 28, 59 с просветлением на длине волны 810 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPH10E-808); четвертьволновые пластинки 23, 25, 27, 29 нулевого порядка с просветлением на длине волны 810 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberfVPQ10E- 808); поляризационные светоделительные кубики 30, 31, 58, 61 для излучения в диапазоне 805-815 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PBS202); одномодовое поляризационно сохраняющее волокно 32, 33, 34, 35, 63, 64 в диапазоне 805-815 нм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=Pl- 780PM-FC-2); кремниевые однофотонные детекторы 36, 37, 38, 39 на диапазон 805- 815 нм (https://www.lasercomponents.com/de-en/product/count-nir/); интеренференционный фильтр 40, 41, 42 с центральной длиной волны 810 нм и шириной на полувысоте 10 нм(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=BSW29); half-wave plates of zero order 22, 24, 26, 28, 59 with antireflection at a wavelength of 810 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=WPH10E-808); quarter-wave plates 23, 25, 27, 29 of the zero order with antireflection at a wavelength of 810 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm7partnumberfVPQ10E-808); polarizing beam splitting cubes 30, 31, 58, 61 for radiation in 805-815 nm range (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PBS202); single-mode polarization-storing fiber 32, 33, 34, 35, 63, 64 in the range 805-815 nm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=Pl-780PM-FC-2); silicon single-photon detectors 36, 37, 38, 39 for the range 805-815 nm (https://www.lasercomponents.com/de-en/product/count-nir/); interference filter 40, 41, 42 with a center wavelength of 810 nm and an FWHM of 10 nm
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=FB810- 10); моторизированная трансляционная подвижка 43 с ходом 25 мм (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PTl/M-Z8); одномодовый волоконный светоделитель 44 в диапазоне 805-815 нм; коррелятор 45 для обработки импульсов, приходящих с детекторов 36-39, использующий "старт-стоп" схемы (https://www.picoquant.com/products/category/tcspc-and-time-tagging- modules/multiharp-150-high-throughput-multichannel-event-timer-tcspc- unit#specification); каплеры 47-48 для излучения на 405 нм, состоящие из трубочки, с волоконным адаптером на одном конце и линзой с фокусным расстоянием 10 мм, просветленной на 405 нм; каплеры 49-57 для излучения на 810 нм, состоящие из трубочки, с волоконным адаптером на одном конце и линзой с фокусным расстоянием 10 мм, просветленной на 810 нм; балансный детектор 62 (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PDB450A); зеркало с пьезо- подвижкой 65 с контроллером(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=FB810-10); motorized translational slide 43 with a stroke of 25 mm (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PTl/M-Z8); single-mode fiber beam splitter 44 in the range 805-815 nm; correlator 45 for processing pulses coming from detectors 36-39, using "start-stop" schemes (https://www.picoquant.com/products/category/tcspc-and-time-tagging- modules / multiharp-150-high -throughput-multichannel-event-timer-tcspc- unit # specification); couplers 47-48 for 405 nm radiation, consisting of a tube with a fiber adapter at one end and a lens with a focal length of 10 mm, coated at 405 nm; couplers 49-57 for emission at 810 nm, consisting of a tube with a fiber adapter at one end and a lens with a focal length of 10 mm, coated at 810 nm; balanced detector 62 (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PDB450A); mirror with piezo-movable 65 with controller
(https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=KPZNFL5/M); (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=KPZNFL5/M);
Таким образом, разработанный учебно-научный лабораторный стенд обеспечивает возможность решения всех перечисленных выше задач квантовой физики. Заявляемый стенд может быть использован с целью обучения студентов ВУЗов, сотрудников учебных заведений, научных организаций и индустриальных компаний основам реализации оптических схем, используемых в технологиях квантовых коммуникаций и квантовых вычислений. Thus, the developed educational and scientific laboratory stand provides the ability to solve all the above problems of quantum physics. The inventive stand can be used to teach university students, employees of educational institutions, scientific organizations and industrial companies the basics of implementing optical circuits used in quantum communications and quantum computing technologies.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Учебно-научный лабораторный стенд для проведения исследований поляризационных и корреляционных свойств однофотонных, бифотонных, когерентных и тепловых световых полей, интерференции Хонга- Оу-Манделя, и гомодинного детектирования, включающий последовательно соединенные оптической связью модуль лазера накачки, модуль источника бифотонов, модули поляризационных измерений в каналах А и В, модуль корреляционных измерений, выполненный с возможностью подключения к компьютеру, а также модуль источника когерентных и тепловых состояний и модуль гомодинного детектирования, где модуль источника когерентных и тепловых состояний выполнен с возможностью соединения оптической связью либо с модулями поляризационных измерений в каналах А и В, либо с модулем гомодинного детектирования, а модуль гомодинного детектирования выполнен с возможностью подключения к компьютеру, при этом модуль лазера накачки содержит лазер с контроллером тока и температуры, модуль источника бифотонов содержит расположенные на одном оптическом пути контроллер поляризации бифотонного излучения, нелинейные кристаллы, систему разделения излучения бифотонов и излучения накачки; каналы А и В модулей поляризационных измерений содержат контроллеры поляризации бифотонного излучения, поляризационный фильтр и/или светоделитель; модуль корреляционных измерений содержит однофотонные детекторы, соединенные с коррелятором импульсов, выполненным с возможностью подключения к компьютеру; модуль источника когерентных и тепловых состояний содержит лазер, соединенный оптической связью со светоделителем, выполненным с возможностью деления света на два канала, в одном из которых расположен матовый диск, выполненный с возможностью вращения вокруг своего центра для модулирования случайным образом излучения лазера по фазе и амплитуде, при этом оба канала выполнены с возможностью подключения к модулям поляризационных измерений и модулю гомодинного детектирования; модуль гомодинного детектирования содержит первый поляризационный светоделитель, входы которого выполнены с возможностью подключения к выходам источника когерентных и тепловых состояний, а в его выходном канале расположен контроллер поляризации, второй поляризационный светоделитель, и соединенные с ним оптической связью детекторы света. 1. Educational and scientific laboratory stand for researching the polarization and correlation properties of single-photon, biphoton, coherent and thermal light fields, Hong-Oy-Mandel interference, and homodyne detection, including a pump laser module connected in series by optical communication, a biphoton source module, polarization modules measurements in channels A and B, a correlation measurement module configured to be connected to a computer, as well as a coherent and thermal state source module and a homodyne detection module, where a coherent and thermal state source module is configured to be connected by optical communication or with polarization measurement modules in channels A and B, or with a homodyne detection module, and the homodyne detection module is designed to be connected to a computer, while the pump laser module contains a laser with a current and temperature controller, the biphoton source module contains in one optical path, a biphoton radiation polarization controller, nonlinear crystals, a system for separating biphoton radiation and pump radiation; channels A and B of the polarization measurement modules contain biphoton radiation polarization controllers, a polarization filter and / or a beam splitter; the correlation measurement module contains single-photon detectors connected to a pulse correlator configured to be connected to a computer; the module of the source of coherent and thermal states contains a laser connected by optical communication with a beam splitter made with the possibility of dividing light into two channels, in one of which there is a matt disk made with the possibility of rotation around its center to randomly modulate the laser radiation in phase and amplitude, both channels are made with the possibility of connecting to the polarization measurement modules and the homodyne detection module; the homodyne detection module contains the first polarization beam splitter, the inputs of which are made with the possibility of connecting to the outputs of the source of coherent and thermal states, and in its output channel there is a polarization controller, a second polarizing beam splitter, and optically coupled light detectors.
2. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что контроллер поляризации бифотонного излучения в модуле источника бифотонов и модулях поляризационных измерений состоит из последовательно расположенных полуволновой и четвертьволновой фазовых пластин, установленных на подвижках, выполненных с возможностью вращения. 2. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the biphoton radiation polarization controller in the biphoton source module and polarization measurement modules consists of sequentially located half-wave and quarter-wave phase plates mounted on slides made with the possibility of rotation.
3. Учебно-научный лабораторный стенд по п.2, характеризующийся тем, что фазовые пластины контроллера поляризации в модуле источника бифотонов рассчитаны на длину волны лазера накачки, а фазовые пластины контроллеров поляризации в модулях поляризационных измерений - на вдвое большую длину волны. 3. An educational and scientific laboratory stand according to claim 2, characterized in that the phase plates of the polarization controller in the biphoton source module are designed for the pump laser wavelength, and the phase plates of the polarization controllers in the polarization measurement modules are designed for twice the wavelength.
4. Учебно-научный лабораторный стенд по п.2, характеризующийся тем, контроллеры поляризации бифотонного излучения в модуле источника бифотонов и модулях поляризационных измерений выполнены на подвижках с возможностью вращения вокруг оптической оси, при этом подвижки выполнены с возможностью подключения к компьютеру и автоматизированной регулировки угла поворота подвижек. 4. Educational and scientific laboratory stand according to claim 2, characterized by the fact that the biphoton radiation polarization controllers in the biphoton source module and polarization measurement modules are made on slides with the ability to rotate around the optical axis, while the slides are made with the ability to connect to a computer and automatically adjust the angle turning the slides.
5. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что в качестве оптической связи, соединяющей модули, используют оптоволокно. 5. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that optical fiber is used as an optical connection connecting the modules.
6. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что лазер в модуле лазера накачки представляет собой лазерный диод, установленный в коллимационной трубочке, с возможностью стабилизации температуры посредством использования элемента Пельтье, соединенного с контроллером тока и температуры. 6. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the laser in the pump laser module is a laser diode installed in a collimation tube, with the possibility of temperature stabilization by using a Peltier element connected to a current and temperature controller.
7. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модуль лазера накачки содержит каплер - устройство ввода/вывода излучения в оптоволокно, представляющий собой трубочку с линзой, в фокальной плоскости которой расположен торец оптоволокна для связи с соседним модулем. 7. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the pump laser module contains a coupler - a device for input / output of radiation into an optical fiber, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the optical fiber is located for communication with an adjacent module.
8. Учебно-научный лабораторный стенд по п.7, характеризующийся тем, что модуль лазера накачки включает оптический изолятор, расположенный между лазером и каплером, исключающим попадание отраженного излучения обратно в лазер. 8. Educational and scientific laboratory stand according to claim 7, characterized in that the pump laser module includes an optical isolator located between the laser and the coupler, preventing reflected radiation from entering the laser back into the laser.
9. Учебно-научный лабораторный стенд по п.7, характеризующийся тем, что в модуле лазера накачки между лазером и каплером установлена пара призм, выполненных с возможностью корректировки формы пучка для эффективного заведения излучения в оптоволокно. 9. Educational and scientific laboratory stand according to claim 7, characterized in that a pair of prisms is installed in the pump laser module between the laser and the coupler, which are made with the possibility of adjusting the beam shape for efficient introduction of radiation into the optical fiber.
10. Учебно-научный лабораторный стенд по п.6, характеризующийся тем, что лазерный диод в модуле лазера накачки выполнен с возможностью работы на длине волны 400-410 нм и имеет ширину линии не более 1 ГГц. 10. Educational and scientific laboratory stand according to claim 6, characterized in that the laser diode in the pump laser module is configured to operate at a wavelength of 400-410 nm and has a line width of no more than 1 GHz.
11. Учебно-научный лабораторный стенд по п.6, характеризующийся тем, что лазерный диод содержит встроенный высокодобротный резонатор. 11. Educational and scientific laboratory stand according to claim 6, characterized in that the laser diode contains a built-in high-Q resonator.
12. Учебно-научный лабораторный стенд по п.6, характеризующийся тем, модуль лазера накачки содержит дифракционную решетку, соединенную с лазерным диодом оптической связью, для обеспечения необходимой ширины спектра и выполняющей функцию зеркала внешнего резонатора. 12. Educational and scientific laboratory stand according to claim 6, characterized by the fact that the pump laser module contains a diffraction grating connected to the laser diode by optical coupling to provide the required spectral width and performing the function of an external resonator mirror.
13. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модуль источника бифотонов со стороны входа содержит каплер, в фокальной плоскости линзы которого расположен торец оптоволокна для соединения с модулем накачки. 13. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the module of the source of biphotons from the entrance side contains a coupler, in the focal plane of the lens of which the end of the fiber is located for connection with the pumping module.
14. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модуль источника бифотонов выполнен с возможностью подключения к модулям поляризационных измерений в каналах А и В с помошью каплера, в фокальной плоскости линзы которого расположен торец оптоволокна. 14. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the biphoton source module is configured to connect to polarization measurement modules in channels A and B using a coupler, in the focal plane of the lens of which the end of the fiber is located.
15. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что частотный фильтр в модуле источника бифотонов выполнен под длину волны 405 нм с просветлением в диапазоне 400-410 нм. 15. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the frequency filter in the biphotone source module is made for a wavelength of 405 nm with antireflection in the range of 400-410 nm.
16. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что нелинейные кристаллы в модуле источника бифотонов, изготовлены под вырожденный синхронизм типа I для длины волны накачки, с ортогонально ориентированными оптическими осями. 16. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the nonlinear crystals in the biphoton source module are made for degenerate phase matching of type I for the pump wavelength, with orthogonally oriented optical axes.
17. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модуль источника бифотонов содержит частотный фильтр накачки и линзу, установленную после частотного фильтра накачки и перед нелинейными кристаллами таким образом, чтобы кристаллы находились в ее фокусе, при этом линза выполнена с просветляющим покрытием на длине волны накачки. 17. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the biphoton source module contains a frequency pump filter and a lens installed after the frequency pump filter and in front of the nonlinear crystals so that the crystals are in its focus, while the lens is made with antireflection coating at the pump wavelength.
18. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модуль источника бифотонов содержит линзу, установленную со стороны выхода модуля после нелинейных кристаллов таким образом, чтобы кристаллы находились в ее фокусе, при этом линза выполнена с просветляющим покрытием на удвоенной длине волны накачки. 18. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the biphoton source module contains a lens installed on the side of the module exit after the nonlinear crystals so that the crystals are in its focus, while the lens is made with an antireflection coating at twice its length pump waves.
19. Учебно-научный лабораторный стенд по п.18, характеризующийся тем, что модуль источника бифотонов содержит частотный фильтр, установленный со стороны выхода за линзой, размещенной после нелинейных кристаллов, и выполненный с возможностью пропускающий излучения бифотонов на удвоенной длине волны накачки, но не пропускающий излучение на длине волны накачки. 19. Educational and scientific laboratory stand according to claim 18, characterized in that the module of the biphoton source contains a frequency filter installed on the exit side of the lens located after the nonlinear crystals, and made with the possibility of transmitting the radiation of biphotons at a doubled pump wavelength, but not transmitting radiation at the pump wavelength.
20. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что лазер модуля источника когерентных и тепловых состояний имеет волоконный выход, его ширина спектра не превышает 1 МГц, а центральная длина волны равна удвоенной длине волны лазера накачки. 20. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the laser module of the source of coherent and thermal states has a fiber output, its spectrum width does not exceed 1 MHz, and the center wavelength is equal to twice the pump laser wavelength.
21. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что лазер модуля источника когерентных и тепловых состояний соединен со светоделителем с помощью оптоволокна. 21. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the laser of the module of the source of coherent and thermal states is connected to the beam splitter using an optical fiber.
22. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что матовый диск модуля источника когерентных и тепловых состояний соединен с выходом светоделителя и с выходным оптоволокном посредством каплеров. 22. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the matt disk of the source of coherent and thermal states is connected to the output of the beam splitter and to the output optical fiber by means of couplers.
23. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что матовый диск модуля источника когерентных и тепловых состояний выполнен с возможностью регулировки скорости вращения, включая полную остановку. 23. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the matt disk of the source of coherent and thermal states module is made with the possibility of adjusting the rotation speed, including a complete stop.
24. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что подключение модуля источника бифотонов и модуля источника когерентных и тепловых состояний к модулям поляризационных измерений в каналах А и В реализовано посредством светоделительной пластины, имеющей два входа, один из которых соединен с выходом модуля источника бифотонов, а второй - с выходом модуля источника когерентных и тепловых состояний посредством каплера, выходы светоделительной пластины соединены оптической связью со входами модулей поляризационных измерений в каналах А и В. 24. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the connection of the module of the source of biphotons and the module of the source of coherent and thermal states to the modules of polarization measurements in channels A and B is implemented by means of a beam-splitting plate having two inputs, one of which is connected to with the output of the biphoton source module, and the second with the output of the source of coherent and thermal states by means of a coupler, the outputs of the beam splitting plate are optically connected to the inputs of the polarization measurement modules in channels A and B.
25. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модули поляризационных измерений в каналах А и В соединены с модулем корреляционных измерений оптоволокнами посредством каплеров, перед которыми установлены узкополосные частотные фильтры с шириной диапазона пропускания 10-40 нм, центр диапазона пропускания которых совпадает с удвоенной длиной воны лазера накачки. 25. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the modules of polarization measurements in channels A and B are connected to the module of correlation measurements by optical fibers by means of couplers, in front of which Narrow-band frequency filters with a transmission range of 10-40 nm are installed, the center of the transmission range of which coincides with the doubled wavelength of the pump laser.
26. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что один из каплеров модуля поляризационных измерений в канале А установлен на трансляционную подвижку, выполненную с возможностью изменения расстояния между ним и поляризационным фильтром и/или светоделителем. 26. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that one of the couplers of the polarization measurement module in channel A is installed on a translational slide made with the ability to change the distance between it and the polarization filter and / or beam splitter.
27. Учебно-научный лабораторный стенд по п.26, характеризующийся тем, что трансляционная подвижка выполнена с возможностью подключения к компьютеру. 27. Educational and scientific laboratory stand according to claim 26, characterized in that the translational movement is made with the ability to connect to a computer.
28. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модуль корреляционных измерений содержит четыре однофотонных детектора, оптические входы которых соединены с оптическими выходами модулей поляризационных измерений, при этом два детектора из четырех подключены к выходам каналов А и В через симметричный оптоволоконный светоделитель. 28. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the correlation measurement module contains four single-photon detectors, the optical inputs of which are connected to the optical outputs of the polarization measurement modules, while two of the four detectors are connected to the outputs of channels A and B through a symmetric fiber optic beam splitter.
29. Учебно-научный лабораторный стенд по п. 1, характеризующийся тем, что коррелятор импульсов выполнен с возможностью подсчета числа фотоотсчетов по каждому каналу, а также измерения числа совпадений фотоотсчетов между любыми двумя каналами и измерения гистограммы времен задержки между импульсами, идущими по любым из двух каналов. 29. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the pulse correlator is configured to count the number of photocounts for each channel, as well as measure the number of coincidences of photocounts between any two channels and measure the histogram of the delay times between pulses traveling along any of two channels.
30. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что модуль гомодинного детектирования снабжен со стороны входа каплерами для соединения с помощью оптоволокон с модулем источника когерентных и тепловых состояний. 30. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the homodyne detection module is equipped on the input side with couplers for connection by means of optical fibers with the module of the source of coherent and thermal states.
31. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что контроллер поляризации в модуле гомодинного детектирования выполнен в виде полуволновой фазовой пластинки на удвоенную длину волны накачки. 31. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the polarization controller in the homodyne detection module is made in the form of a half-wave phase plate for twice the pump wavelength.
32. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что детекторы света в модуле гомодинного детектирования соединены с блоком АЦП, выполненного с возможностью подключения к компьютеру. 32. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the light detectors in the homodyne detection module are connected to an ADC unit capable of being connected to a computer.
33. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что детекторы света в модуле гомодинного детектирования выполнены в виде единого модуля, включающего усилитель разностного фототока. 33. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the light detectors in the homodyne detection module are made in the form of a single module including a differential photocurrent amplifier.
34. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что перед первым поляризационным светоделителем модуля гомодинного детектирования установлено зеркало на прецизионной пьезо-подвижке, соединенной с источником пилообразного сигнала. 34. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that before the first polarization beam splitter of the homodyne detection module, a mirror is installed on a precision piezo slider connected to a sawtooth signal source.
35. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что перед вторым поляризационным светоделителем модуля гомодинного детектирования установлена длиннофокусная линза, при этом детекторы расположены от линзы на ее фокусном расстоянии. 35. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that a long-focus lens is installed in front of the second polarizing beam splitter of the homodyne detection module, and the detectors are located from the lens at its focal length.
36. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что он содержит компьютер, соединенный с модулями стенда, выполненный с возможностью удаленного подключения другого компьютера с обеспечением возможности удаленного управления всеми модулями стенда. 36. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that it contains a computer connected to the stand modules, made with the possibility of remote connection of another computer with the possibility of remote control of all stand modules.
37. Учебно-научный лабораторный стенд по п.1, характеризующийся тем, что соединение модулей оптоволоконной оптической связью реализовано посредством каплера - устройства ввода/вывода излучения в оптоволокно, представляющего собой трубочку с линзой, в фокальной плоскости которой расположен торец оптоволокна. 37. Educational and scientific laboratory stand according to claim 1, characterized in that the connection of the modules by fiber-optic optical communication is realized by means of a coupler - a device for input / output of radiation into the optical fiber, which is a tube with a lens, in the focal plane of which the end of the fiber is located.
PCT/RU2020/050310 2019-10-31 2020-10-30 Laboratory bench for teaching and research in quantum optics and quantum information science WO2021086236A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019135033 2019-10-31
RU2019135033A RU2734455C1 (en) 2019-10-31 2019-10-31 Educational and scientific laboratory bench for quantum optics and quantum computer science

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021086236A1 true WO2021086236A1 (en) 2021-05-06

Family

ID=72940290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2020/050310 WO2021086236A1 (en) 2019-10-31 2020-10-30 Laboratory bench for teaching and research in quantum optics and quantum information science

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2734455C1 (en)
WO (1) WO2021086236A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115296748A (en) * 2022-07-14 2022-11-04 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 Polarization modulator and quantum key distribution system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113283608B (en) * 2021-06-17 2022-10-28 南方科技大学 Universal quantum computing device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003019284A2 (en) * 2001-08-24 2003-03-06 Ut-Battelle, Llc Interferometric source of multi-color, multi-beam entangled photons
RU2554615C2 (en) * 2013-10-04 2015-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of generating spatial bell states

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003019284A2 (en) * 2001-08-24 2003-03-06 Ut-Battelle, Llc Interferometric source of multi-color, multi-beam entangled photons
RU2554615C2 (en) * 2013-10-04 2015-06-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of generating spatial bell states

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STRUCHALIN G. I., POGORELOV I. A., STRAUPE S. S., KRAVTSOV K. S., RADCHENKO I. V., KULIK S. P.: "Experimental adaptive quantum tomography of two-qubit states", PHYSICAL REVIEW A, vol. 93, no. 1, 1 January 2016 (2016-01-01), pages 2, XP055930527, ISSN: 2469-9926, DOI: 10.1103/PhysRevA.93.012103 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115296748A (en) * 2022-07-14 2022-11-04 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 Polarization modulator and quantum key distribution system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2734455C1 (en) 2020-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Spontaneous parametric down‐conversion sources for multiphoton experiments
Galvez et al. Interference with correlated photons: Five quantum mechanics experiments for undergraduates
Banaszek et al. Experimental Demonstration of Entanglement-Enhanced Classical Communication<? format?> over a Quantum Channel with Correlated Noise
Pearson et al. A hands-on introduction to single photons and quantum mechanics for undergraduates
CN207541825U (en) It tangles source preparation and tangles source tutoring system with what Entanglement measured
Rarity et al. Fourth-order interference effects at large distances
WO2021086236A1 (en) Laboratory bench for teaching and research in quantum optics and quantum information science
Carrasco et al. Spectral engineering of entangled two-photon states
Thiel et al. Single-photon characterization by two-photon spectral interferometry
Shih Two-photon entanglement and quantum reality
Ljunggren et al. Theory and experiment of entanglement in a quasi-phase-matched two-crystal source
Graham Using Hyperentanglement for advanced quantum communication
Galvez Correlated-photon experiments for undergraduate labs
RU2795245C1 (en) Demonstration simulator of a quantum key distribution system
Mendes et al. Femtosecond source of unbalanced polarization-entangled photons
Guilbert Efficient Entangled Biphoton Production and Manipulation for Quantum Applications
Foletto et al. Direct Reconstruction of the Quantum Density Operator via Measurements of Arbitrary Strength
Ziskind Measuring Entanglement Using Programmable Holograms
Lahoz Sanz Experimental Setup For Measuring The Bell Inequalities
Zhang Mode Selective Image Up-Conversion and Applications
Betchart A test of bell’s inequality for the undergraduate laboratory
Vest et al. Two-photon interference and the Hong-Ou-Mandel effect
Zhang Quantum and Classical Optical Technologies for Metrology and Communication
Abramović Application of quantum light in holography
Svanberg et al. Demonstrating quantum entanglement and Hong-Ou-Mandel effect, using type-II spontaneous parametric down conversion with C programming for data collection

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20882888

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20882888

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1