Γρήγορος χωρικός χαρακτηρισμός κάμερας της εμπλοκής φωτονικής πόλωσης

..... Πειραματική διάταξη για παραγωγή εμπλοκής (1; αριστερά) και χαρακτηρισμό (2; δεξιά): (1) Η πηγή χρησιμοποιεί μια μπλε δίοδο λέιζερ αντλίας συντονισμένη σε μήκος κύματος λ = 405 nm και ένα ζευγάρι κρυστάλλων τύπου Ι BBO με κατακόρυφους οπτικούς άξονες το ένα το άλλο για τη δημιουργία σήματος και αδρανείας φωτονίων που εμπλέκονται στην πόλωση σε μήκος κύματος λ = 810 nm. Τα εμπλεγμένα φωτόνια υφίστανται μεμονωμένους μετασχηματισμούς χρησιμοποιώντας πολωτές για την αξιολόγηση των παραμέτρων ανισότητας του Bell και στη συνέχεια συνδέονται με ίνες. (2) Η έξοδος από τις ίνες τα φωτόνια ταιριάζουν με τη λειτουργία και εντοπίζονται από έναν ενισχυτή εικόνας πριν από την εγγραφή στην κάμερα Tpx3Cam. >>>>Οι επεκτάσιμες τεχνολογίες για τον χαρακτηρισμό της απόδοσης των κβαντικών συσκευών είναι ζωτικής σημασίας για τη δημιουργία μεγάλων κβαντικών δικτύων και κβαντικών μονάδων επεξεργασίας. Κύριος από τους πόρους της κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών είναι η εμπλοκή. Εδώ περιγράφουμε τον πλήρη χρονικό και χωρικό χαρακτηρισμό των φωτονίων που εμπλέκονται στην πόλωση που παράγονται από Spontaneous Parametric Down Conversions χρησιμοποιώντας μια εντατική οπτική κάμερα υψηλής ταχύτητας, Tpx3Cam. Αυτή η νέα τεχνική επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό των παραμέτρων ανισότητας Bell με ελάχιστη τεχνική επιβάρυνση και για νέες μεθόδους χαρακτηρισμού για τη χωρική κατανομή των εμπλεγμένων κβαντικών πληροφοριών. Η γρήγορη οπτική κάμερα θα μπορούσε να οδηγήσει σε πολλαπλές εφαρμογές στην Quantum Information Science, ανοίγοντας νέες προοπτικές για την επεκτασιμότητα των κβαντικών πειραμάτων. Εισαγωγή Από τότε που τα αρχικά πειράματα με τα εμπλεγμένα φωτόνια 1 , η φωτονική εμπλοκή έχει γίνει ένας αξιοσημείωτος πόρος στην ανάπτυξη των κβαντικών τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένης της εμπλοκής σε μεγάλες αποστάσεις για κβαντική επικοινωνία 2 , ανταλλαγή εμπλοκής 3 , τηλεμεταφορά μεταξύ ενός φωτονίου και ενός ατομικού συνόλου 4 , παραβίαση της ανισότητας CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) που μετράται σε μεγάλες αποστάσεις 5 , 6 και η εμπλοκή των κυμάτων περιστροφής μεταξύ τεσσάρων κβαντικών αναμνήσεων 7 . Η δημιουργία κβαντικών δικτύων πολλών τέτοιων κβαντικών συσκευών στις οποίες η εμπλοκή μοιράζεται μεταξύ πολλών κόμβων δικτύου είναι το επόμενο τεχνολογικό σύνορο για την επιτυχή ανάπτυξη αυτών των εφαρμογών. Οι εύχρηστες, επεκτάσιμες και συμπαγείς συσκευές χαρακτηρισμού, που παρέχουν όλες τις πληροφορίες σχετικά με την εμπλοκή σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, είναι θεμελιώδεις για περαιτέρω εξελίξεις δικτύου μεγάλης κλίμακας. Πρόσφατες εξελίξεις έχουν δείξει ότι ο χωρικός χαρακτηρισμός των εμπλεκόμενων καταστάσεων με κάμερες ευαίσθητες σε ένα φωτονίο παρέχει πρόσβαση σε μια πληθώρα νέων δυνατοτήτων, όπως απεικόνιση εμπλοκής υψηλής διαστάσεων 8 , γενικευμένες ανισότητες Bell 9 και μελέτη των μη-τοποθεσιών Einstein-Podolsky-Rosen 10 , 11 . Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές τις μετρήσεις χρησιμοποίησαν μεθόδους υψηλής έντασης πόρων, όπως διαδοχική σάρωση ή πολλαπλούς αυτόνομους ανιχνευτές. Τα πιο πρόσφατα πειράματα χρησιμοποίησαν CCD 12 , 13 χαμηλού θορύβου και CCD πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων (EMCCD) 14κάμερες για να μελετήσουν χωρικούς κβαντικούς συσχετισμούς μεταξύ δίδυμων ακτίνων παλμικών παραμετρικών πηγών φωτονίου μετατροπής. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η χρονική ανάλυση καθορίστηκε από την παλμική φύση της πηγής, αν και οι κάμερες δεν λειτουργούσαν στο καθεστώς ενός φωτονίου, καθώς τα αποτελέσματα απαιτούσαν την ενσωμάτωση εκατομμυρίων φωτονίων ανά παλμό λέιζερ. Τα EMCCD χρησιμοποιήθηκαν επίσης στη λειτουργία ενός φωτονίου για τη μελέτη χωρικών συσχετίσεων χρησιμοποιώντας μια πηγή SPDC 15. Ωστόσο, ο χρόνος έκθεσης ήταν 33 ms, οπότε αν και τα μεμονωμένα φωτονία είχαν πράγματι διαλυθεί χωρικά, καταγράφηκαν πολλά ζεύγη φωτονίων σε μία μόνο λήψη. Το κύριο κίνητρο στις παραπάνω μελέτες ήταν μια επίδειξη του θορύβου υπό-πυροβολισμό που μπορεί να επιτευχθεί με την εκμετάλλευση των κβαντικών συσχετίσεων. Αυτά τα πειράματα δεν πραγματοποίησαν χαρακτηρισμό εμπλοκής, καθώς θα απαιτούσε την ανάλυση των συμπτώσεων του ζεύγους. Οι πρώτες μελέτες εμπλοκής με σύγχρονους εικονογράφους χρησιμοποίησαν μια κάμερα EMCCD με ενεργή περιοχή 201 × 201 pixel και ρυθμό ανάγνωσης καρέ 5 Hz 8 . Παρόλο που η κβαντική απόδοση EMCCD ήταν έως και 90%, απαιτείται μεγάλος χρόνος έκθεσης περίπου 1 ms για τη λειτουργία αυτής της συσκευής με ελάχιστους ρυθμούς φωτονίων για την αποφυγή πολλαπλών φωτονίων στο ίδιο πλαίσιο. Επιπλέον, για να επιτευχθεί ευαισθησία σε επίπεδο ενός φωτονίου, η κάμερα EMCCD λειτούργησε σε χαμηλή θερμοκρασία - 85 ° C, κάτι που είναι τυπικό για αυτόν τον τύπο κάμερας. Επιτεύχθηκε πρόοδος στην κβαντική απεικόνιση με κάμερες χρησιμοποιώντας εντατικές κάμερες CMOS και CCD 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 . Οι ευέλικτες αρχιτεκτονικές ανάγνωσης επιτρέπουν συνεχή ρυθμό καρέ kHz σε κάμερες CMOS. Επιπλέον, η ανάλυση χρόνου κλίμακας νανοδευτερολέπτου για μεμονωμένα φωτόνια μπορεί να επιτευχθεί με το άνοιγμα των ενισχυτών εικόνας στις κάμερες. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκε μια ενισχυμένη κάμερα sCMOS για την παρακολούθηση των παρεμβολών Hong-Ou-Mandel 22, όπου τα εμπλεγμένα φωτόνια συλλέχθηκαν σε μια περιοχή 700 × 22 pixel με ρυθμό καρέ 7 kHz, και η σύμπτωσή τους διασφαλίστηκε χρησιμοποιώντας μια στενή πύλη ενισχυτή 40 ns. Τα στατιστικά στοιχεία απόκτησης φωτονίων μπορούν επίσης να βελτιωθούν με τη χρήση πολλαπλών σκανδάλων σε ένα μόνο πλαίσιο, έτσι ώστε η κάμερα να ενσωματώνει πολλαπλά φωτόνια σε μία μόνο ληφθείσα εικόνα. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε το 19 , όπου το αδρανές φωτονίο από ένα μπερδεμένο ζεύγος χρησιμοποιήθηκε για την πύλη μιας εντατικής κάμερας CCD. Παρόλο που πολλές χιλιάδες φωτόνια απεικονίστηκαν σε ένα μόνο πλαίσιο της κάμερας, επιτρέποντας τον χωρικό χαρακτηρισμό της γωνιακής ορμής του φωτονίου, ο ρυθμός καρέ ήταν μόνο 4 Hz και οι χωρικές πληροφορίες του αδρανούς φωτονίου δεν ήταν διαθέσιμες, δεδομένου ότι χρησιμοποιήθηκε για πυροδοτεί. Αυτή η χαμηλή απόδοση παραμένει σοβαρός περιορισμός για την επίλυση του χωρικού χαρακτηρισμού της εμπλοκής σε πραγματικό χρόνο. Εδώ παρουσιάζουμε πώς η ανάπτυξη από την κοινότητα φυσικής υψηλής ενέργειας, η εντατική κάμερα Tpx3Cam 23 μπορεί να μετατραπεί σε συσκευή κβαντικού χαρακτηρισμού της εμπλοκής φωτονικής πόλωσης. Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει την απεικόνιση και τη χρονική σήμανση μιας συνεχούς ροής εμπλεγμένων φωτονίων με εξαιρετική χωρική και χρονική ανάλυση (55 × 55 μm 2, 1,5 ns), παρέχοντας υψηλή αναλογία σήματος προς φόντο. Τονίζουμε ότι η ανάγνωση Tpx3Cam βασίζεται σε δεδομένα, με υψηλή απόδοση ≈ 10 M φωτονίων ανά δευτερόλεπτο, η οποία είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερες από τις συμβατικές κάμερες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Το κύριο πλεονέκτημα της κάμερας είναι ότι δίνει ταυτόχρονα πρόσβαση στις χωρικές και χρονικές πληροφορίες για κάθε εγγεγραμμένο φωτονίο και, ως εκ τούτου, επιτρέπει τη μελέτη, ταυτόχρονα, των χωρικών και χρονικών συσχετίσεων πολλαπλών φωτονίων (π.χ. ζευγάρια, τρίδυμα), κάτι που δεν ισχύει για τα πειράματα που αναφέρονται παραπάνω. Στη συνέχεια, το αποδεικνύουμε για την περίπτωση του χωρικού χαρακτηρισμού της εμπλοκής φωτονικής πόλωσης, η οποία κάνει χρήση χωρικά διαλυμένων συμπτώσεων ζευγών φωτονίων. Πειραματική ρύθμιση Μελετάμε τον χαρακτηρισμό της εμπλοκής κβαντικής πόλωσης που βασίζεται σε SPDC χρησιμοποιώντας γρήγορη απεικόνιση 2D με Tpx3Cam. Η πειραματική διάταξη φαίνεται στο Σχ.  ...>>>>>>( α ) Παραδείγματα επιτυχημένων φωτονίων, η αριστερή στήλη δείχνει TOT σε ns. Η δεξιά στήλη δείχνει σχετικό TOA από το πρώτο pixel επιτυχίας σε ns. και ( β ) 2 D χάρτης πληρότητας του αισθητήρα (256 × 256 εικονοστοιχεία) που δείχνει τις επιτυχίες των φωτονίων για τα πλήρη στατιστικά μιας διαδρομής πέντε λεπτών, το χρώμα κωδικοποιεί τον αριθμό των φορών που ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο χτυπήθηκε σε κλίμακα δεκαδικού ημερολογίου.