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, квантовой телепортации, квантовых вычислений и квантовой метрологии. Для генерации фотонных пар наиболее часто используется процесс спонтанного параметрического рассеяния (СПР) в нелинейных кристаллах.
Схема параметрического распада двух фотонов накачки в процессе четырехволнового взаимодействия.
Схема экспериментальной установки для генерации коррелированных фотонных пар и одиночных фотонов в микроструктурированных волокнах.
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;
- гибкое управление длинами волн и характеристиками квантового состояния одиночных фотонов и фотонных пар;
- большой потенциал миниатюризации, что улучшает перспективы их применения на практике в схемах интегральной оптики.
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.
Спектральные свойства сигнального и холостого фотонов фотонных пар, сгенерированных в МС волокне NL—PM-750 (а). Карта длины когерентности для ЧВВ II типа в волокне NL—PM-750 и результаты измерения длин волн сигнального и холостого фотонов (b).
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) ff — ss, (c), (h) ss — ff, (d), (i) sf — fs и (e), (j) sf — sf.
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.
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 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. В настоящее время в этом направлении ведутся исследования совместно Казанским Квантовым Центром КНИТУ-КАИ по развитию и использованию продемонстрированной схемы для целей квантовой спектроскопии.
