Τρισδιάστατη εμπλοκή σε τσιπ σιλικόνης

Εικ. 1: Κβαντικό τσιπ πυριτίου και σχηματικό σχήμα της πειραματικής εγκατάστασης
ένα εννοιολογικό σχήμα της προσέγγισης για τη δημιουργία και χειρισμό δύο εμπλεγμένων qutrits. Τρεις μη εκφυλισμένες πηγές ζεύγους φωτονίων, S1, S2 και S3, αντλούνται με συνέπεια, και τρεις διχρωικοί καθρέπτες, DM1, DM2 και DM3, ξεχωριστά σήματα και αδρανείς φωτόνια σε δύο συλλογικές διαδρομές S και I, που αποτελούνται από τρία άτομα (Ind ) διαδρομές 1, 3 και 5 και 2, 4 και 6, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, δύο τρισδιάστατα ιντερφερόμετρα πολλαπλών διαστάσεων (3D-MP) εκτελούν ενιαίους μετασχηματισμούς στα εμπλεγμένα qutrits. σιΔιάγραμμα μιας διπλής πηγής μικρο-δακτυλίου Mach-Zehnder interferometer (DMZI-R). Αυτή η πηγή έχει τέσσερις θύρες: είσοδο, απόδοση, προσθήκη και απόθεση. Τα αντλία φωτονίων αποστέλλονται στη θύρα εισόδου και συνδέονται κρίσιμα στον αντηχείο δακτυλίου, όπου δημιουργούνται φωτονία σήματος και ρελαντί. Ρυθμίζοντας τις φάσεις των MZIs 1 και 2, μπορούμε να μειώσουμε τη διαρροή φωτονίων στη θύρα διαμέσου και να αυξήσουμε τη σύνδεση σήματος και αδρανείας φωτονίων στη θύρα πτώσης. c Δύο πανομοιότυπα φωτονία αντλίας (1552,1 nm) παράγουν ένα σήμα (1545,9 nm) και ένα ρελαντί (1558,3 nm) φωτόνια σε μη εκφυλισμένη αυθόρμητη ανάμιξη τεσσάρων κυμάτων. d Οπτική μικροσκοπική εικόνα της πηγής ζεύγους φωτονίων DMZI-R, με ράβδο κλίμακας που αντιπροσωπεύει 20 μm. Οι θερμο-οπτικοί μετατοπιστές φάσης (PS) εμφανίζονται ως παχιά μαύρες καμπύλες. μιΟπτική μικροσκοπική εικόνα ολόκληρου του μπλοκαρισμένου τσιπ qutrit. Πολλά σημαντικά στοιχεία on-chip φέρουν την ένδειξη: (1) πηγή ζεύγους φωτονίων DMZI-R. (2) πολυπλέκτης διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) · (3) διέλευση · (4) ιντερφερόμετρο πολλαπλών τρόπων (MMI) · (5) κοινό έδαφος των ηλεκτρικών σημάτων · (6) θερμο-οπτικό PS. f Σχηματικό της πλήρους πειραματικής ρύθμισης. Ένας παλμός αντλίας picosecond φιλτράρεται, πολώνεται και συνδέεται στο τσιπ μέσω ενός φίλτρου διέλευσης ζώνης, ενός ελεγκτή πόλωσης και ενός ζεύκτη σχάρας, αντίστοιχα. Ένα ζεύγος φωτονίων δημιουργείται σε μια υπέρθεση μεταξύ τριών πηγών DMZI-R που αντλούνται με συνεκτικό τρόπο (S1-3). Ρυθμίζοντας τέσσερα PS για την αντλία ( P y 1 , P y 2 , P z 1 καιP z 2 ), μπορούμε να δημιουργήσουμε μια συντονιζόμενη κατάσταση εμπλοκής του κουτρίτη. Το σήμα (κόκκινο) και το ρελαντί (μπλε) φωτόνια διαχωρίζονται από το W1-3 και δρομολογούνται σε δύο 3D-MP, τα οποία αποτελούνται από 12 MMI και 12 PS και μας επιτρέπουν να εφαρμόζουμε αυθαίρετο 3D τοπικό ενιαίο μετασχηματισμό. Τόσο τα φωτονία σήματος όσο και το ρελαντί συνδέονται στη συνέχεια από το τσιπ, φιλτράρονται και ανιχνεύονται με έξι συζεύκτες σχάρας, φίλτρα και ανιχνευτές μονής φωτονίας υπεραγωγού (SSPDs). Τα συμβάντα σύμπτωσης καταγράφονται από μια μονάδα χρονοδιαγράμματος που βασίζεται σε FPGA. Όλα τα PS σε τσιπ ελέγχονται με τρέχουσες πηγέςΓια να αποκτήσουμε μια αποτελεσματική πηγή ζεύγους φωτονίων, χρησιμοποιούμε μια πηγή ζεύγους φωτονίων διπλού Mach-Zehnder μικρο-δακτυλίου (DMZI-R) 35 , 36 . Μια τέτοια πηγή ζεύγους φωτονίων DMZI-R εμπνέεται από το σχεδιασμό ενός πολυπλέκτη διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) στην κλασική οπτική επικοινωνία 37 και θα μπορούσε να παρακάμψει την αντιστάθμιση μεταξύ της αποτελεσματικότητας χρήσης του φωτονίου της αντλίας και της αποτελεσματικότητας εξαγωγής του σήματος και ρελαντί ζεύγη φωτονίων από συντονιστή δακτυλίου 38 . Η πηγή ζεύγους φωτονίων DMZI-R παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στην αναφορά. 35, όπου παρουσιάστηκε βελτιωμένη απόδοση σύμπτωσης μιας μόνο πηγής. Η αρχή λειτουργίας της πηγής φωτονίου DMZI-R έχει ως εξής: τυλίγοντας δύο κυματοδηγούς τροχαλίας γύρω από έναν αντηχείο δακτυλίου, μπορεί κανείς να κατασκευάσει μια συσκευή τεσσάρων θυρών, όπως φαίνεται στο Σχ. 1β. Συνδέουμε κάθε κυματοδηγό σε δύο σημεία στον αντηχείο, χρησιμοποιώντας τέσσερις συνδέσμους κατεύθυνσης. Ρυθμίζοντας τις σχετικές φάσεις δύο κυματοδηγών στον αντηχείο, μπορούμε να συντονίσουμε τη ζεύξη μεταξύ κυματοδηγών με τον αντηχείο στην αντλία, το μήκος κύματος του σήματος και του ρελαντί ανεξάρτητα. Στην ιδανική περίπτωση, θα θέλαμε να κυκλοφορήσει η αντλία στον συντονιστή δακτυλίου για να δημιουργήσει ζεύγη φωτονίων, και ως εκ τούτου, προτιμάται η κρίσιμη κατάσταση ζεύξης για την αντλία. Από την άλλη πλευρά, θέλουμε να εξαγάγουμε το σήμα και τα αδρανή φωτόνια από τον αντηχείο μόλις δημιουργηθούν για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια διάδοσης των ζευγών φωτονίων στον αντηχείο. Κατά συνέπεια, είναι επιθυμητή η υπερζεύξη του κυματοδηγού με τον αντηχείο στα μήκη κύματος των φωτονίων του σήματος και του ρελαντί. Αυτές οι δύο απαιτήσεις μπορούν να εκπληρωθούν ταυτόχρονα ρυθμίζοντας την ελεύθερη φασματική περιοχή (FSR) των ΜΖΙ να είναι διπλάσια από αυτήν του δακτυλίου, έτσι ώστε κάθε δεύτερο συντονισμό του δακτυλίου να καταστέλλεται αποτελεσματικά. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να επιτύχουμε τις επιθυμητές διακριτές συνθήκες ζεύξης για την αντλία, το σήμα και το ρελαντί φωτόνια και να αξιοποιήσουμε το μέγιστο την αντλία για την αποτελεσματική εξαγωγή ζευγών φωτονίων. Ο δακτύλιος έχει ακτίνα 15 μm και διάκενο ζεύξης 250 μm (200 μm) στην πλευρά εισόδου (εξόδου). Η διαφορά μήκους του μη ισορροπημένου MZI1 (MZI2) είναι 47,8 μm (48 μm). Οι οπτικές μικροσκοπικές εικόνες της πηγής ζεύγους φωτονίων DMZI-R και ολόκληρου του τσιπ εμπλεγμένου-κουτρίτ παρουσιάζονται στο Σχ. μπορούμε να επιτύχουμε τις επιθυμητές διακριτές συνθήκες ζεύξης για την αντλία, το σήμα και τα αδρανείς φωτόνια και να αξιοποιήσουμε στο μέγιστο την αντλία για την αποτελεσματική εξαγωγή ζευγών φωτονίων. Ο δακτύλιος έχει ακτίνα 15 μm και διάκενο ζεύξης 250 μm (200 μm) στην πλευρά εισόδου (εξόδου). Η διαφορά μήκους του μη ισορροπημένου MZI1 (MZI2) είναι 47,8 μm (48 μm). Οι οπτικές μικροσκοπικές εικόνες της πηγής ζεύγους φωτονίων DMZI-R και ολόκληρου του τσιπ εμπλεγμένου-κουτρίτ παρουσιάζονται στο Σχ. μπορούμε να επιτύχουμε τις επιθυμητές διακριτές συνθήκες ζεύξης για την αντλία, το σήμα και τα αδρανείς φωτόνια και να αξιοποιήσουμε στο μέγιστο την αντλία για την αποτελεσματική εξαγωγή ζευγών φωτονίων. Ο δακτύλιος έχει ακτίνα 15 μm και διάκενο ζεύξης 250 μm (200 μm) στην πλευρά εισόδου (εξόδου). Η διαφορά μήκους του μη ισορροπημένου MZI1 (MZI2) είναι 47,8 μm (48 μm). Οι οπτικές μικροσκοπικές εικόνες της πηγής ζεύγους φωτονίων DMZI-R και ολόκληρου του τσιπ εμπλεγμένου-κουτρίτ παρουσιάζονται στο Σχ.1d, e , αντίστοιχα. Σημειώστε ότι τα μεγέθη των κενών κρίσιμων και υπερβολικά κρίσιμων συνδέσμων εξαρτώνται από την απώλεια διάδοσης των φωτονίων στον δακτύλιο. Κάποιος πρέπει να μπορεί να επιτύχει υψηλότερο ρυθμό μέτρησης βελτιστοποιώντας το μέγεθος διακένου 35 (βλ. Συμπληρωματικές πληροφορίες για μια θεωρητική ανάλυση και λεπτομερή χαρακτηρισμό της πηγής φωτονίου DMZI-R). Ακολουθώντας την πηγή ζεύγους φωτονίων DMZI-R, χρησιμοποιούμε ασύμμετρο MZI (AMZI) ως WDM on-chip για το διαχωρισμό των μη εκφυλισμένων φωτονίων σήματος και ρελαντί. Όπως φαίνεται στο Σχ. 1στ , επαναλαμβάνουμε αυτόν τον συνδυασμό πηγής DMZI-R και WDM τρεις φορές, και διεγείρουμε αυτές τις πηγές με συνέπεια. Όταν ο ρυθμός παραγωγής είναι ο ίδιος και για τις τρεις πηγές και οι σχετικές φάσεις της αντλίας είναι όλες μηδενικές, δημιουργούμε μια μέγιστη κατάσταση εμπλοκής δύο qutrits: . Σημειώστε ότι , και είναι οι μεμονωμένες καταστάσεις διαδρομής μεμονωμένων φωτονίων. | Ψ ⟩ = 1 √ 3 ( | 00 ⟩ + | 11 ⟩ + | 22 ⟩ ) | 0 ⟩ | 1 ⟩ | 2 ⟩ Κάθε qutrit μπορεί να χειριστεί τοπικά από ένα 3D-MP 24 , το οποίο αποτελείται από θερμο-οπτικούς μετατοπιστές φάσης (PSs) και πολυ-τρόπους παρεμβολόμετρα (MMIs). Συγκεκριμένα, ένα από τα βασικά συστατικά, που σχηματίζεται από ένα μόνο PS και έναν διαχωριστή με δυνατότητα ρύθμισης δέσμης, πραγματοποιείται με ένα MZI, που αποτελείται από δύο ισορροπημένα MMI και ένα PS. Αυτά τα εξαρτήματα χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση R z ( φ z ) και R y ( θ y ) περιστροφές, και έτσι να επιτευχθεί μια αυθαίρετη λειτουργία SU (2) στον δισδιάστατο υποπεριοχή. Σημειώστε ότι η πειραματική μας διαμόρφωση σχετίζεται επίσης στενά με μια πρόσφατη πρόταση για τη δημιουργία εμπλοκής OAM από την ταυτότητα διαδρομής 39. Οι συλλογικές διαδρομές και οι μεμονωμένες διαδρομές στο έργο μας αντιστοιχούν στη διαδρομή και στο ΟΑΜ στην αναφορά. 40 . Μετά τον χειρισμό και το χαρακτηρισμό των εμπλεγμένων qutrits με δύο 3D-MP, τόσο το σήμα όσο και το ρελαντί φωτόνια συνδέονται από το τσιπ, φιλτράρονται για να καταστέλλουν την υπολειπόμενη άντληση με φίλτρα off-chip και ανιχνεύονται με υπεραγωγούς ανιχνευτές μονό-φωτονίων nanowire (SSPDs). Τα συμβάντα ανίχνευσης ενός φωτονίου καταγράφονται από μια μονάδα χρονοδιαγράμματος βάσει προγραμματιζόμενης από το πεδίο πύλης (FPGA). Στη συνέχεια, εξάγονται και οι δύο μεμονωμένες μετρήσεις και η σύμπτωση CC i j μεταξύ της διαδρομής i ( i  = 1, 3, 5) και της διαδρομής j ( j  = 2, 4, 6) από αυτές τις εγγραφές χρονομετρητών (βλ. Συμπληρωματικές πληροφορίες για περαιτέρω πειραματικές λεπτομέρειες). Από εμπλοκή qubit έως εμπλοκή qutrit Για τη δημιουργία τρισδιάστατων (3D) εμπλεγμένων διαδρομών φωτονίων, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι και οι τρεις πηγές ζεύγους φωτονίων που αντλούνται με συνεκτικό τρόπο είναι ίδιες. Αυτό σημαίνει ότι τα ζεύγη φωτονίων που εκπέμπονται από διαφορετικές πηγές πρέπει να είναι τα ίδια σε όλα τα DOF, συμπεριλαμβανομένης της πόλωσης, της χωρικής λειτουργίας, του ποσοστού μέτρησης και της συχνότητας. Για το σύστημα που βασίζεται σε τσιπ, χρησιμοποιούμε κυματοδηγούς μονής λειτουργίας, οι οποίοι μας δίνουν αυτόματα τις ίδιες καταστάσεις πόλωσης και χωρικούς τρόπους φωτονίων από διαφορετικές πηγές. Ωστόσο, ο ρυθμός μέτρησης και η συχνότητα των φωτονίων δεν είναι απαραίτητα πανομοιότυπες για διαφορετικές πηγές. Για να εξαλειφθεί η διακριτότητα του ποσοστού μέτρησης, μπορούμε να συντονίσουμε την ισχύ της αντλίας της μεμονωμένης πηγής. Το τελευταίο DOF είναι η συχνότητα. Σε πηγές μη συντονισμένης ευρείας ζώνης (~ nm έως δεκάδες nm) ζευγών φωτονίων, όπως νανοσύρματα πυριτίου,9 , 20, που μειώνει αναπόφευκτα το ποσοστό μέτρησης. Στις πηγές συντονισμού, όπως η πηγή DMZI-R, μπορούμε να συντονίσουμε ενεργά τα μήκη κύματος συντονισμού κάθε μεμονωμένης πηγής με PS. Με αυτόν τον τρόπο, αποκτούμε πανομοιότυπα φωτόνια χωρίς να θυσιάσουμε τον ρυθμό μέτρησης φωτονίων, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για πολυδιάστατα πειράματα υψηλής διάστασης. Ωστόσο, η ευθυγράμμιση της συχνότητας των φωτονίων στενής ζώνης που παράγονται από πηγές ενισχυμένες με συντονισμό αποτελεί πρόκληση στο υπο-mm foot-print του τσιπ μας. Οι λόγοι είναι οι εξής: το πυρίτιο έχει σχετικά υψηλό θερμο-οπτικό συντελεστή. Αφενός, αυτό το χαρακτηριστικό του πυριτίου είναι επιθυμητό για την πραγματοποίηση αναδιαμορφώσιμων φωτονικών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας θερμο-οπτικά PS με χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Αφ 'ετέρου,41 . Ως το πρώτο βήμα για τη δημιουργία τρισδιάστατης εμπλοκής, επαληθεύουμε την ταυτότητα δύο πηγών με παρεμβολές Hong-Ou-Mandel (RHOM) 42 που αντιστρέφονται στο χρόνο . Τα εξαιρετικά διακριτά φωτόνια παράγουν την υψηλή ορατότητα των παρεμβολών RHOM. Εξετάζουμε την αδιάκριτη διαφορά μεταξύ όλων των ζευγών και των τριών πηγών παρεμβαίνοντας στα ζεύγη φωτονίων με αδράνεια σήματος που δημιουργούνται από τα S1, S2 και S3 στο κορυφαίο 3D-MP. Για παράδειγμα, ορίζουμε τις φάσεις S y 1 και S y 2 σε π και S y 3 σε π ∕ 2 και σαρώσουμε τη φάση του S z 3για να αποκτήσετε το RHOM παρεμβολή περιθώριο μεταξύ S2 και S3. Οι παρεμβολές RHOM περιβάλλουν μεταξύ S1 και S2, S1 και S3 και S2 και S3 φαίνονται στο Σχ. 2α-γ , αντίστοιχα. Η ορατότητα του περιθωρίου ορίζεται ως V = (CC max  - CC min ) / (CC max  + CC min ), όπου CC max και CC min είναι το μέγιστο και το ελάχιστο των μετρήσεων σύμπτωσης. Οι μετρηθείσες ορατότητες είναι μεγαλύτερες από 96,49% σε όλες τις περιπτώσεις, υποδηλώνοντας υψηλής ποιότητας φασματικές επικαλύψεις. Όλα τα δεδομένα μας είναι ακατέργαστα και δεν αφαιρούνται οι μετρήσεις φόντου. Για να έχουμε υψηλές ορατότητες παρεμβολών, έχουμε καταβάλει σημαντικές προσπάθειες για την εξάλειψη του θερμικού θορύβου (βλ. Συμπληρωματικές πληροφορίεςγια περαιτέρω πειραματικές λεπτομέρειες). Πιστεύουμε ότι με τη χρήση καλύτερων σχεδίων θερμικών PS, όπως αναφέρεται στις παραπομπές 43 , 44 , ο θόρυβος μπορεί να μετριαστεί σημαντικά. Επιπρόσθετα για τη μείωση των διασταυρούμενων συνομιλιών, για την επίτευξη ορατότητας που απαιτείται για τις πρακτικές εφαρμογές, ο κβαντικός έλεγχος υψηλής πιστότητας είναι απαραίτητη. Είναι αξιοσημείωτο ότι η προηγούμενη εργασία έδειξε ότι μπορεί να επιτευχθεί εξαιρετικός λόγος ενεργοποίησης / απενεργοποίησης (~ 0,5 dB), που ισοδυναμεί με το ποσοστό σφάλματος Pauli-

Τα περιθώρια παρέμβασης των πειραμάτων δύο φωτονίων RHOM παρουσιάζονται στο a - c για S1 και S2, S1 και S3 και S2 και S3, αντίστοιχα. Οι μετρηθείσες ορατότητες είναι μεγαλύτερες από 96,49% και στις τρεις περιπτώσεις, υποδηλώνοντας υψηλής ποιότητας διακρίσεις μεταξύ των τριών πηγών. Path-συσχετίσεις των τριών υποχώρους δύο-qubit για το κράτος πεπλεγμένων-qutrit εμφανίζονται σε d - f για S1 και S2, S1 και S3, και S2 και S3, αντίστοιχα. Το φωτονίο σήματος προβάλλεται στο και το ρελαντί φωτονίο μετριέται σε η βάση 1 √ 3 ( | 00 ⟩ + | 11 ⟩ + | 22 ⟩ ) 1 √ 2 ( | Ι ⟩ + | k ⟩ ) 1 √ 2 ( | Ι ⟩ + ε i φ | k ⟩ ) με φ να είναι η φάση σάρωσης και με (j, k) = (0,1), (0,2) και (1,2), αντίστοιχα. Οι μετρηθείσες ορατότητες είναι μεγαλύτερες από 94,72% και στις τρεις περιπτώσεις, υποδεικνύοντας εμπλοκή διαδρομής υψηλής ποιότητας. Τα σημεία είναι πειραματικά δεδομένα και οι καμπύλες ταιριάζουν. Οι αβεβαιότητες υποδηλώνουν τις τυπικές αποκλίσεις από την κατανομή Poisson των πρώτων μετρήσεων φωτονίων. Τα πραγματικά και φανταστικά μέρη της μήτρας ανακατασκευασμένης πυκνότητας της κατάστασης εμπλοκής δύο-φωτονίων-qutrit εμφανίζονται σε g και h . Ογδόντα μία ρυθμίσεις μέτρησης αποσυντίθενται σε , όπου | p s ⟩ ⊗ | p i ⟩ | p k ⟩ = | ψ k ⟩ ⟨ Ψ k | . επιλέγεται από το ακόλουθο σύνολο: , , , , , , , και | ψ k ⟩ | 0 ⟩ | 1 ⟩ | 2 ⟩ 1 √ 2 ( | 0 ⟩ + | 1 ⟩ ) 1 √ 2 ( | 1 ⟩ + | 2 ⟩ ) 1 √ 2 ( | 0 ⟩ + | 2 ⟩ ) 1 √ 2 ( | 0 ⟩ + i | 1 ⟩ ) 1 √ 2 ( | 1 ⟩ + i | 2 ⟩ ) 1 √ 2 ( | 0 ⟩ + i | 2 ⟩ ) . Λαμβάνουμε την πιστότητα κβαντικής κατάστασης των μετρούμενων κβαντικών καταστάσεων στην ιδανική κατάσταση ως 95,50% ± 0,17%. Το μέγιστο στοιχείο μήτρας του φανταστικού τμήματος είναι μικρότερο από 0,015. Το έγχρωμο γράφημα ράβδων είναι το πειραματικό αποτέλεσμα και το πλέγμα καλωδίων υποδεικνύει τις αναμενόμενες τιμές για την ιδανική περίπτωση. Οι αβεβαιότητες στις πιστότητες που εξάγονται από αυτούς τους πίνακες πυκνότητας υπολογίζονται χρησιμοποιώντας μια ρουτίνα Monte Carlo, υποθέτοντας τα Poissonian σφάλματα.