Close

Волоконные источники квантовых состояний света

Квантовая оптика является одним из наиболее перспективных и активно разрабатываемых разделов физики, для развития которого необходимы источники квантовых состояний света — одиночных фотонов и коррелированных фотонных пар, из которых далее можно строить более сложные квантовые состояния, необходимые для квантовой криптографии [1], квантовой телепортации [2], квантовых вычислений [3] и квантовой метрологии [4]. Для генерации фотонных пар наиболее часто используется процесс спонтанного параметрического рассеяния (СПР) в нелинейных кристаллах [5].

В качестве альтернативы СПР, в нашей группе мы развиваем новый источник на основе микроструктурированных оптических волокон и процесса спонтанного четырехволнового взаимодействия (ЧВВ) [6]. Волоконный источник одиночных фотонов и фотонных пар имеет ряд преимуществ:

  •  минимальные сложности сопряжения с оптическими волокнами, необходимыми для дальнейшей транспортировки сигнала;
  • возможность создания волокон с различными профилями дисперсии обеспечивает гибкое управление длинами волн и характеристиками квантового состояния одиночных фотонов и фотонных пар (пространственной модой, центральной длиной волны,  поляризацией, статистикой и степенью корреляций в различных степенях свободы);
  • волоконные источники имеют большой потенциал миниатюризации, что улучшает перспективы их применения на практике в схемах интегральной оптики.

Ключевыми факторами для генерации квантовых состояний света в микроструктурированных волокнах являются как параметры самого волокна (дисперсия и нелинейность), так и характеристики оптического излучения накачки (длина волны, мощность, поляризация, длительность импульса). Генерации коррелированных фотонных пар в волокнах основана на процессе четырехволнового взаимодействия (ЧВВ), который представляет собой параметрический процесс на нелинейности третьего порядка, при котором фотоны накачки вследствие взаимодействия с вакуумными флуктуациями электромагнитного поля распадаются на два фотона (сигнальная и холостая волны). Для эффективного протекания процесса необходимо выполнение  условий сохранения энергии и импульса (частотного и фазового синхронизма). При этом взаимодействие может происходить как в вырожденном скалярном режиме (накачка, сигнальная и холостая волны находятся в состоянии с одной и той же поляризацией), так и в векторном, в котором участвуют волны с различными поляризациями.

Схема параметрического распада двух фотонов накачки в процессе четырехволнового взаимодействия.

По аналогии с векторными процессами СПР I и II типа, можно также выделить два типа векторного ЧВВ. В ЧВВ I типа два фотона накачки в одной поляризационной моде генерируют сигнальный и холостой фотоны в ортогональной накачке поляризационной моде. В ЧВВ II типа два фотона накачки берутся из разных поляризационных мод и генерируют сигнальный и холостой фотоны также в разных поляризационных модах. При этом возможны два варианта — сигнальный фотон генерируется в медленной (s) моде или  быстрой (f) моде волокна, поддерживая векторный процесс ЧВВ для волн с ортогональными поляризациями. Условиям для генерации коррелированных фотонных пар в векторном режиме удовлетворяют микроструктурированное (фотонно-кристаллическое)  волокно модели NL-PM-750, которое имеет значительное двулучепреломление вследствие эллиптической формы сердцевины, и помимо скалярного ЧВВ позволяет генерировать фотонные пары в режиме векторного ЧВВ [7].

Для  демонстрации возможности использования микроструктурированных волокон в качестве эффективного источника квантовых состояний света — фотонных пар и одиночных фотонов — в лаборатории 508 МГУ создана экспериментальная установка, использующая в качестве оптической накачки фемтосекундный Ti:Sapphire генератор, а для регистрации —  детекторы одиночных фотонов с волоконным сбором сигнала. При этом для характеризации источника одиночных провозглашенных фотонов используется три детектора одиночных фотонов. Один детектор регистрирует провозглашающий фотон, а другие два реализуют измерения корреляционной функции g(2)(0) по схема Брауна-Твисса. Критерием успешного создания источника одиночных провозглашенных фотонов является регистрация g(2)(0)<<1.

Схема экспериментальной установки для генерации коррелированных фотонных пар и одиночных фотонов в микроструктурированных волокнах.

Спектральные свойства сигнального и холостого фотонов фотонных пар, сгенерированных в МС волокне NLPM-750 (а). Карта длины когерентности для ЧВВ II типа в волокне NLPM-750 и результаты измерения длин волн сигнального и холостого фотонов (b).

В лаб. 508 МГУ в рамках выполнения Мегагранта и сотрудничества с Казанским Квантовым Центром были исследованы процессы векторного ЧВВ, обеспечивающее новые режимы генерации коррелированных фотонных пар. Получены спектральные компоненты, отстроенные относительно частоты накачки на 45 ТГц в области аномальной дисперсии высоконелинейного фотонно-кристаллического волокна NL-PM-750. Особое внимание уделялось исследованию генерации фотонных пар на частотах сигнальной и холостой волн в ортогональных модах при ортогонально-поляризованной накачке. Векторный режим ЧВВ позволяет, с одной стороны, при соответствующей спектральной фильтрации снизить влияние рамановского шума, раздвигая длины сигнальной и холостой волн в области аномальной дисперсии и, с другой стороны, избавить одну из поляризационных мод от рамановских фотонов при накачке в другую ортогональную моду вследствие того, что фотоны рамановского рассеяния преимущественно поляризованы вдоль накачки. Эти условия позволяют эффективно генерировать фотонные пары со скоростями счета до 106 Гц/мВт.

Поляризационные геометрии ЧВВ (a)-(e) в двулучепреломляющем оптическом волокне с быстрой и медленной осями f и s и (f)-(j) соответствующие карты фазового согласования, показывающие длину когерентности как функцию длин волн накачки, сигнальных и холостых фотонов для оптического волокна (а), (f) скалярное ЧВВ, (b), (g) ffss, (c), (h) ssff, (d), (i) sffs и (e), (j) sfsf.

Исследованы различные режимы генерации квантовых состояний света: при эффективной мощности накачки порядка 0,1 мВт зарегистрирована генерация коррелированных фотонных пар в режиме супергруппировки при коэффициенте корреляции второго порядка 𝑔(2)(0), превышающим 1200. В режиме малых уровней накачки реализуются низкие значения коэффициентов корреляции провозглашенных фотонов  < 3 10−3, что соответствует сильной антигруппировке фотонов в сигнальном канале и факту, что 99,7% регистрируемых сигналов соответствует однофотонным состояниям. Совокупность этих фактов важна с практической точки зрения, поскольку позволяет использовать этот источник в задачах квантовой оптики, где требуются одиночные фотоны или фотонные пары. С точки зрения научной новизны являются измеренные и рассчитанные спектральные и поляризационные характеристики фотонных пар, генерирующихся в векторном ЧВВ II типа, так как подобных экспериментов для процесса векторного ЧВВ II типа в сильно двулучепреломляющих волокнах до сих пор не проводилось.

Фотонные пары, сгенерированные в процессе ЧВВ, являются коррелированными по длине волны сигнального и холостого фотонов, что следует из закона сохранения энергии для процесса ЧВВ. Спектральная запутанность фотонной пары может быть количественно охарактеризована с помощью нескольких параметров, среди которых мы удобно пользоваться энтропией запутанности  (энтропия фон Неймана редуцированной матрицы плотности фотонной пары), параметром Шмидта  и чистотой состояния сигнального (холостого) фотонов. Для их вычисления необходимо искать собственные значения редуцированной матрицы плотности фотонной пары. На выходе из волокна в результате ЧВВ генерируется запутанное широкополосное состояние. Правильным подбором параметров накачки и нелинейной среды можно обеспечить устранение спектральных корреляций в фотонной паре, то есть добиться факторизации  совместного спектрального распределения, что является необходимым шагом для создания источника одиночных провозглашенных фотонов.

Совместная спектральная амплитуда для поляризационной геометрии sffs ЧВВ . (d)-(f) Коэффициенты Шмидта  для двухфотонного состояния, генерируемого при накачке λp = 800 нм (a), (d), 850 нм (b), (е) и 750 нм (с), (f).

В результате проведенных экспериментов и теоретического анализа нами были рассмотрены пять поляризационных конфигураций четырехволнового взаимодействия, с использованием которых можно создать спектрально запутанные и факторизуемые фотонные пары в ФК волокнах. Мы показали, что векторное четырехволновое взаимодействие (ЧВВ) ультракоротких лазерных импульсов в сильно двулучепреломляющем, сильно нелинейном оптическом волокне может быть источником широкополосного многомерного перепутывания в непрерывных переменных с настраиваемой энтропией и чистотой. Мы продемонстрировали, что состоянием фотонных пар такого векторного ЧВВ можно управлять, изменяя длину волны накачки и геометрию поляризации, создавая как высокочистые низкоразмерные запутанные состояния, так и высокоэнтропийные запутанные состояния в пространстве очень высокой размерности. Продемонстрировано, что разложение Шмидта во временной области позволяет адекватно описать импульсные моды, содержащие двухфотонные состояния высокой чистоты, с точки зрения нелинейной динамики коротких импульсов классического поля, что раскрывает фундаментальное соотношение между квантовой и классической картинами генерации фотонных пар. По результатам исследований опубликовано несколько [8-11]. В настоящее время в этом направлении ведутся исследования совместно Казанским Квантовым Центром КНИТУ-КАИ по развитию и использованию продемонстрированной схемы для целей квантовой спектроскопии.

 

  1. Ekert A., Knight P.L. Entangled quantum systems and the Schmidt decomposition // Am. J. Phys. 1995. Т. 63. № 5. С. 415–423.
  2. Bouwmeester D. и др. Experimental quantum teleportation // Nature. 1997. Т. 390. № 6660. С. 575–579.
  3. Knill E., Laflamme R., Milburn G.J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics // Nature. 2001. Vol. 409, № 6816. P. 46–52.
  4. Dowling J.P. Quantum optical metrology — the lowdown on high-N00N states // Contemp. Phys. 2008. Т. 49. № 2. С. 125–143.
  5. Klyshko D.N. Coherent photon decay in a nonlinear medium // Sov. J. Exp. Theor. Phys. Lett. 1967. Т. 6. С. 23.
  6. Wang L.J., Hong C.K., Friberg S.R. Generation of correlated photons via four-wave mixing in optical fibres // J. Opt. B Quantum Semiclassical Opt. 2001. Т. 3. № 5. С. 346.
  7. Garay-Palmett K. и др. Photon pair-state preparation with tailored spectral properties by spontaneous four-wave mixing in photonic-crystal fiber // Opt. Express. 2007. Т. 15. № 22. С. 14870–14886.
  8. Petrov N.L. и др. Polarization map of correlated sideband generation in vectorial four-wave mixing // Appl. Phys. Lett. 2017. Т. 110. № 18. С. 181108.
  9. Petrov N.L. и др. Ultrahigh-contrast cross-polarized entangled photon pairs from a strongly birefringent photonic-crystal fiber // Appl. Phys. B. 2019. Т. 125. № 3. С. 54.
  10. Zheltikov A.M. Phase matching as a gate for photon entanglement // Sci. Rep. 2017. Т. 7.
  11. Petrov N.L., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. High-brightness photon pairs and strongly antibunching heralded single photons from a highly nonlinear optical fiber // Opt. Commun. 2019.