Την επόμενη δεκαετία των XFELs

κοιτάζουμε πίσω την πρώτη δεκαετία λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFELs) και προωθούμε τις προκλήσεις και τις ευκαιρίες που βρίσκονται μπροστά μας.............>.        https://rdcu.be/b5r0g

How will Fermilab’s new accelerator propel particles close to the speed ...

ΚοσμολογίαΒασική ΦυσικήΓενική ΣχετικότηταΚβαντική Βαρύτητα ΒρόχουΠΟΛΥΜΕΣΑMultiverseΣωματιδίωνΗ ΦυσικηΚβαντική ΒαρύτηταΚβαντική ΦυσικήSpace-TimeΘεωρία ΧορδώνΘεωρητική Φυσική

Οπτικοηλεκτρονικός παραμετρικός ταλαντωτής

Οι ταλαντωτές είναι ένα από τα βασικά στοιχεία σε διάφορες εφαρμογές ως πηγή σήματος για τη δημιουργία περιοδικών ταλαντώσεων. Μεταξύ αυτών, ένας οπτικός παραμετρικός ταλαντωτής (OPO) είναι ένας κινούμενος αρμονικός ταλαντωτής βασισμένος σε παραμετρική μετατροπή συχνότητας σε μια οπτική κοιλότητα, ο οποίος έχει διερευνηθεί ευρέως ως μια συνεκτική πηγή φωτός με ένα εξαιρετικά ευρύ εύρος συντονισμού μήκους κύματος. Ωστόσο, η σταθερή ταλάντωση σε ένα OPO περιορίζεται από την καθυστέρηση κοιλότητας, η οποία οδηγεί σε δυσκολία στο συντονισμό συχνότητας και ο συντονισμός συχνότητας είναι διακριτός με το ελάχιστο βήμα συντονισμού που καθορίζεται από την καθυστέρηση κοιλότητας. Εδώ, προτείνουμε και επιδεικνύουμε ένα αντίστοιχο ενός OPO στον οπτοηλεκτρονικό τομέα, δηλαδή έναν οπτοηλεκτρονικό παραμετρικό ταλαντωτή (OEPO) με βάση την παραμετρική μετατροπή συχνότητας σε μια οπτοηλεκτρονική κοιλότητα για τη δημιουργία σημάτων μικροκυμάτων. Λόγω της μοναδικής διαδικασίας μετάβασης ενέργειας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, η εξέλιξη της φάσης στο OEPO δεν είναι γραμμική, οδηγώντας σε σταθερή ταλάντωση μονής λειτουργίας ή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που δεν περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Επιπλέον, η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. Η εξέλιξη της φάσης στο OEPO δεν είναι γραμμική, οδηγώντας σε σταθερή ταλάντωση μονής λειτουργίας ή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που δεν περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Επιπλέον, η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. Η εξέλιξη της φάσης στο OEPO δεν είναι γραμμική, οδηγώντας σε σταθερή ταλάντωση μονής λειτουργίας ή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που δεν περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Επιπλέον, η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές, όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένας OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων. η ταλάντωση πολλαπλών τρόπων στο OEPO είναι σταθερή και εύκολη στην πραγματοποίηση λόγω του ελέγχου φάσης της παραμετρικής διαδικασίας μετατροπής συχνότητας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, ενώ η σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές, όπως ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) ή ένας OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Το προτεινόμενο OEPO έχει μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως παραγωγή σήματος μικροκυμάτων, υπολογισμός με βάση ταλαντωτή και μεταφορά σταθερής φάσης ραδιοσυχνοτήτων....>>>>>Οι ταλαντωτές χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλες τις πτυχές της σύγχρονης κοινωνίας, από ρολόγια και κινητά τηλέφωνα έως πειράματα φυσικής υψηλής ενέργειας, καθώς και στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Οι παραμετρικοί ταλαντωτές είναι ένας σημαντικός τύπος ταλαντωτών που βασίζεται σε μια μη γραμμική διαδικασία. Συγκεκριμένα, οι οπτικοί παραμετρικοί ταλαντωτές (OPO) επεκτείνουν σημαντικά τη συχνότητα λειτουργίας των λέιζερ χρησιμοποιώντας μη γραμμικότητα δεύτερης ή τρίτης τάξης, ενώ το εύρος συχνότητας λειτουργίας των συνηθισμένων λέιζερ περιορίζεται στο επίπεδο διέγερσης ατομικής ενέργειας 6 , 7 , 8 , 9 . Ωστόσο, ένα OPO, ειδικά το OPO διπλού συντονισμού (DRO) 10, είναι δύσκολο να λειτουργήσει επειδή δεν πρέπει να ικανοποιείται μόνο η συνθήκη αντιστοίχισης φάσης αλλά και η κατάσταση λειτουργίας για το σήμα και το ρελαντί. Η σταθερή ταλάντωση σε ένα τέτοιο OPO είναι μια λειτουργία που ελέγχεται από καθυστέρηση, η οποία περιορίζεται από την καθυστέρηση της κοιλότητας, καθώς το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής αν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης. Η ελεγχόμενη από καθυστέρηση λειτουργία οδηγεί σε δυσκολία στο συντονισμό συχνότητας και ο συντονισμός συχνότητας είναι διακριτός με το ελάχιστο βήμα συντονισμού που καθορίζεται από την καθυστέρηση κοιλότητας 11 . Από την άλλη πλευρά, ένα από τα ελκυστικά χαρακτηριστικά ενός OPO είναι η συνεχής δυνατότητα συντονισμού του, η οποία εφαρμόζεται γενικά με την αλλαγή της θερμοκρασίας, του προσανατολισμού ή της περιόδου poling του κρυστάλλου για να επηρεάσει τις συνθήκες αντιστοίχισης φάσης 12 , 13 ,14 . Αυτές οι προσεγγίσεις αλλάζουν ουσιαστικά τον χρόνο μετ 'επιστροφής του κύματος φωτός. Οι τρόποι κοιλότητας εξακολουθούν να καθορίζονται από την καθυστέρηση κοιλότητας, παρόμοια με άλλους ταλαντωτές γραμμής καθυστέρησης. Ένας παραμετρικός ταλαντωτής μπορεί επίσης να σχεδιαστεί στον τομέα ραδιοσυχνοτήτων (RF) χρησιμοποιώντας μια μη γραμμική ηλεκτρονική συσκευή 15 , 16, π.χ., μια δίοδος βαρακτόρων. Στην πράξη, η παραμετρική διαδικασία στον τομέα RF χρησιμοποιείται για την ενίσχυση αδύναμων σημάτων με υπερβολικό θόρυβο, ο οποίος είναι πολύ σημαντικός σε περιοχές όπως ραντάρ μεγάλης εμβέλειας, ραδιοτηλεσκόπια και δορυφορικοί επίγειοι σταθμοί. Ουσιαστικά, η συμβατική παραμετρική διαδικασία στον τομέα RF δεν έχει καμία διαφορά από αυτήν στον οπτικό τομέα. Από την άλλη πλευρά, ένας οπτοηλεκτρονικός ταλαντωτής (OEO) είναι ένας άλλος τύπος ταλαντωτή γραμμής καθυστέρησης που εφαρμόζεται σε μια οπτοηλεκτρονική κοιλότητα 17 , 18 , 19 , 20. Διαθέτει έναν υβριδικό βρόχο θετικής ανάδρασης που σχηματίζεται από μια οπτική διαδρομή και μια ηλεκτρική διαδρομή για τη δημιουργία σημάτων μικροκυμάτων με θόρυβο υπερήλικης φάσης λόγω της χρήσης ενός στοιχείου οπτικής ενέργειας υψηλής ποιότητας (συντελεστής Q), όπως μια μακρά οπτική ίνα γραμμή καθυστέρησης. Η δημιουργία εξαιρετικά σταθερών σημάτων μικροκυμάτων μίας λειτουργίας και ταλαντώσεων μικροκυμάτων πολλαπλών τρόπων, όπως χαοτικά σήματα ευρείας ζώνης, έχει αποδειχθεί ευρέως με χρήση OEO. Παρ 'όλα αυτά, η σταθερή ταλάντωση σε έναν ΟΕΟ είναι επίσης μια λειτουργία ελεγχόμενη από καθυστέρηση, η οποία περιορίζεται επίσης από την καθυστέρηση της κοιλότητας όπως σε ένα OPO και έναν ηλεκτρικό παραμετρικό ταλαντωτή. Εδώ, προτείνουμε έναν οπτοηλεκτρονικό παραμετρικό ταλαντωτή (OEPO) με βάση τη μη γραμμικότητα δεύτερης τάξης σε μια οπτοηλεκτρονική κοιλότητα. Ένα ζεύγος τρόπων ταλάντωσης μετατρέπεται το ένα στο άλλο στο μη γραμμικό μέσο από έναν τοπικό ταλαντωτή (LO) στο προτεινόμενο OEPO. Η αθροιστική φάση κάθε ζεύγους λειτουργίας κλειδώνεται από το LO, το οποίο εξασφαλίζει σταθερή ταλάντωση πολλαπλών τρόπων που είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί σε συμβατικούς ταλαντωτές, όπως ένα OEO ή ένα OPO λόγω του φαινομένου mode-hopping και mode-racing. Επιπλέον, λόγω της μοναδικής διαδικασίας μετάβασης ενέργειας στην οπτοηλεκτρονική κοιλότητα, η ταλάντωση στο OEPO είναι μια ελεγχόμενη από φάση λειτουργία, της οποίας η συχνότητα μπορεί να είναι ανεξάρτητη από την καθυστέρηση της κοιλότητας. Ο συνεχής συντονισμός συχνότητας επιτυγχάνεται χωρίς την ανάγκη τροποποίησης της καθυστέρησης κοιλότητας. Αποτελέσματα Μια σύγκριση μεταξύ ενός OPO, ενός OEO και του προτεινόμενου OEPO φαίνεται στο Σχ. 1 . Στην OPO, η ενέργεια ρέει από την αντλία ω ρ στο σήμα ω s και αδρανή ω θμέσω ενός οπτικού μη γραμμικού μέσου, όπως ενός οπτικού μη γραμμικού κρυστάλλου. Το σήμα και το ρελαντί ενισχύονται από το οπτικό κέρδος που προκύπτει από την παραμετρική ενίσχυση στο οπτικό μη γραμμικό μέσο, ​​το οποίο επιτρέπει σε ένα ή και τα δύο να ταλαντεύονται στο OPO. Εκτός από το οπτικό μη γραμμικό μέσο, ​​μια οπτική συντονισμένη κοιλότητα είναι επίσης ένα βασικό συστατικό του OPO. Η οπτική συντονισμένη κοιλότητα χρησιμεύει για συντονισμό τουλάχιστον ενός από τα μήκη κύματος σήματος και ρελαντί. Εάν η κοιλότητα συντονισμού είναι συντονισμένη είτε στο σήμα είτε στο ρελαντί μήκος κύματος, τότε είναι ένα απλό συντονισμό OPO (SRO). Όταν το σήμα και το ρελαντί είναι συντονισμένα, τότε η κοιλότητα είναι DRO. Μια άλλη διαμόρφωση είναι ένα τριπλό συντονιστικό OPO (TRO), στο οποίο τα κύματα αντλίας, σήματος και ρελαντί συντονίζονται ταυτόχρονα. Ένα από τα πιο ελκυστικά χαρακτηριστικά ενός OPO είναι ότι είναι δυνατή η πρόσβαση σε μήκη κύματος που είναι δύσκολο ή ακόμη και αδύνατο να επιτευχθούν με λέιζερ, όπως στη φασματική περιοχή μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Επιπλέον, η ευελιξία μεγάλου μήκους κύματος είναι επίσης δυνατή αλλάζοντας το μήκος κύματος της αντλίας ή τις ιδιότητες αντιστοίχισης φάσης, κάτι που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης χρονισμού, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι όπως στη μεσαία υπέρυθρη φασματική περιοχή. Επιπλέον, η ευελιξία μεγάλου μήκους κύματος είναι επίσης δυνατή αλλάζοντας το μήκος κύματος της αντλίας ή τις ιδιότητες αντιστοίχισης φάσης, κάτι που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι όπως στη μεσαία υπέρυθρη φασματική περιοχή. Επιπλέον, η ευελιξία μεγάλου μήκους κύματος είναι επίσης δυνατή αλλάζοντας το μήκος κύματος της αντλίας ή τις ιδιότητες αντιστοίχισης φάσης, κάτι που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι το οποίο είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναι το οποίο είναι ιδιαίτερα επιθυμητό σε πρακτικές εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία λέιζερ. Ωστόσο, ο συντονισμός του μήκους κύματος σε ένα OPO είναι γενικά περίπλοκος επειδή τα μήκη κύματος λειτουργίας καθορίζονται όχι μόνο από την κατάσταση ταιριάσματος φάσης αλλά επίσης κυρίως από την απαίτηση συντονισμού του ταλαντωμένου σήματος στην κοιλότητα OPO. Σε σταθερή ταλάντωση, το σήμα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από κάθε μετ 'επιστροφής, εάν αγνοηθεί κάποιος χρονοδιακόπτης, επομένως μόνο συγκεκριμένα στοιχεία συχνότητας των οποίων οι συχνότητες είναιΤο n / τ μπορεί να επιβιώσει, όπου το n είναι ακέραιος και τ είναι η καθυστέρηση κοιλότητας. Ο συντονισμός συχνότητας είναι διακριτός και το ελάχιστο βήμα συντονισμού είναι το φασματικό εύρος χωρίς κοιλότητα FSR  = 1 / τ . Οι λειτουργίες κοιλότητας ενός OEO είναι επίσης διακριτές και η ελάχιστη απόσταση λειτουργίας είναι 2 π/ τ, παρόμοιο με αυτό ενός OPO, καθώς και οι δύο ταλαντωτές που ελέγχονται από καθυστέρηση. Στη φυσική διαμόρφωση, ο OEO και ο προτεινόμενος OEPO εφαρμόζονται και οι δύο σε οπτοηλεκτρονική κοιλότητα. Η κύρια διαφορά είναι ότι μια παραμετρική διαδικασία μετατροπής συχνότητας εισάγεται στην κοιλότητα OEPO, η οποία οδηγεί στις μοναδικές ιδιότητες και πλεονεκτήματα του προτεινόμενου OEPO. Επιπλέον, το ταλαντωτικό σήμα στον ΟΕΟ καθορίζεται απευθείας από το θόρυβο και δεν υπάρχουν ενεργειακές μεταβάσεις από το σήμα της αντλίας στο ταλαντωτικό σήμα, όπως στο προτεινόμενο OEPO και OPOΕικ. 1: Σύγκριση μεταξύ ενός OPO, ενός OEO και του προτεινόμενου OEPO
α Σχηματική και τρόπων κοιλότητος ενός τυπικού ΟΡΟ. Οι λειτουργίες κοιλότητας είναι διακριτές και η ελάχιστη απόσταση λειτουργίας είναι 2 π / τ, όπου τ είναι η καθυστέρηση κοιλότητας. β Σχηματικές λειτουργίες και λειτουργίες κοιλότητας ενός τυπικού OEO. Οι λειτουργίες κοιλότητας είναι παρόμοιες με εκείνες ενός OPO, καθώς και οι δύο ταλαντωτές που ελέγχονται από καθυστέρηση. γ Σχηματικές λειτουργίες και λειτουργίες κοιλότητας του προτεινόμενου OEPO. ω lo είναι η συχνότητα του LO. Λόγω του άλματος φάσης στην παραμετρική διαδικασία μετατροπής συχνότητας, οι τρόποι κοιλότητας μπορούν να συντονίζονται συνεχώς συντονίζοντας το LO. Η ελάχιστη απόσταση λειτουργίας είναι π / τ. ρεΕνεργειακές μεταβάσεις σε ένα τυπικό OPO και στον προτεινόμενο OEPO. Η ταλάντωση στο OPO βασίζεται σε οπτική παραμετρική ενίσχυση. Η ενέργεια ρέει από την αντλία στο σήμα και στο ρελαντί μέσω ενός οπτικού μη γραμμικού μέσου. Δεν υπάρχει άλμα φάσης για τα ταλαντευόμενα σήματα στο οπτικό μη γραμμικό μέσο. Στο προτεινόμενο OEPO, η ταλάντωση βασίζεται σε ηλεκτρική παραμετρική μετατροπή συχνότητας. Ένα ζευγάρι ταλαντώσεων μετατρέπονται το ένα στο άλλο στο ηλεκτρικό μη γραμμικό μέσο από τον τοπικό ταλαντωτή (LO). Υπάρχει ένα άλμα φάσης για τα ταλαντούμενα σήματα στο μη γραμμικό μέσο, ​​το οποίο οδηγεί στις ιδιότητες μοναδικής λειτουργίας του προτεινόμενου OEPO. Φωτοανιχνευτής PD, ενισχυτής χαμηλού θορύβου LNA, φίλτρο διέλευσης ζώνης BPF.......Σχ. 2: Διαδικασίες φασμάτων ισχύος και ταλαντώσεων των εξόδων OEPO σε λειτουργία πολλαπλών τρόπων και μονής λειτουργίας. Σχήμα 

Ανίχνευση πλάτους και συχνότητας πεδίων μικροκυμάτων με υπεραγωγό πομπός qudit

Τα πειράματα με υπεραγωγικά κυκλώματα απαιτούν προσεκτική βαθμονόμηση των εφαρμοζόμενων παλμών και πεδίων σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Αυτό παραμένει μια συνεχιζόμενη πρόκληση καθώς τα εμπορικά ηλεκτρονικά ημιαγωγών δεν είναι σε θέση να ανιχνεύσουν σήματα που φθάνουν στο τσιπ λόγω του κρυογονικού του περιβάλλοντος. Εδώ, αποδεικνύουμε πώς μπορεί να συναχθεί το πλάτος και η συχνότητα ενός σήματος μικροκυμάτων από τις μετατοπίσεις AC Stark υψηλότερων επιπέδων εκπομπής. Στις μετρήσεις μας που έχουν επιλυθεί στο χρόνο, χρησιμοποιούμε τα περιθώρια Ramsey, επιτρέποντάς μας να εντοπίσουμε το εύρος της λειτουργίας μεταφοράς συστημάτων σε εύρος αρκετών εκατοντάδων MHz με ενεργειακή ευαισθησία της τάξης των 10 −4. Σε συνδυασμό με παρόμοιες μετρήσεις για τη φάση της λειτουργίας μεταφοράς, η μέθοδος ανίχνευσης μπορεί να διευκολύνει τη διόρθωση παλμών για κβαντικές πύλες υψηλής πιστότητας σε υπεραγωγικά κυκλώματα. Επιπλέον, η δυνατότητα χαρακτηρισμού αυθαίρετων πεδίων μικροκυμάτων προάγει εφαρμογές σε σχετικούς τομείς έρευνας, όπως κβαντικά οπτικά ή υβριδικά συστήματα μικροκυμάτων, συμπεριλαμβανομένων φωτονικών, μηχανικών ή μαγνητικών υποσυστημάτων.>>>>>>>>>Εισαγωγή Η εφαρμογή ενός ανεκτικού σφάλματος κβαντικού επεξεργαστή απαιτεί πιστότητες πύλης που υπερβαίνουν κατά πολύ το όριο του 99% 1 , 2 , 3 , 4 . Στα υπεραγωγικά qubits, αυτές οι πύλες πραγματοποιούνται από παλμούς μικροκυμάτων 5 ή σχεδόν συντονισμένους . Ωστόσο, στο δρόμο προς το κύκλωμα, το σχήμα αυτών των παλμών παραμορφώνεται από πολλαπλά παθητικά εξαρτήματα μικροκυμάτων όπως εξασθενητές, κυκλοφορητές και καλώδια. Αυτές οι παραμορφώσεις επηρεάζουν αρνητικά την πιστότητα της πύλης εάν δεν λαμβάνονται υπόψη. Η συλλογική απόκριση όλων των εξαρτημάτων μικροκυμάτων σε ένα σήμα συμβάντος περιγράφεται από τη λειτουργία μεταφοράς του συστήματος. Εάν η λειτουργία μεταφοράς είναι γνωστή, οι τεχνικές επεξεργασίας ψηφιακού σήματος επιτρέπουν τον πλήρη έλεγχο του σχήματος των εφαρμοζόμενων παλμών. Ωστόσο, δεδομένου ότι τα υπεραγώγιμα κυκλώματα είναι ενσωματωμένα σε ένα κρυογονικό περιβάλλον που λειτουργεί σε θερμοκρασίες millikelvin, η λειτουργία μεταφοράς από την πηγή παλμού στο δείγμα δεν είναι προσβάσιμη με συμβατικούς αναλυτές δικτύου. Στο παρελθόν, αυτό το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε με διαφορετικές μεθόδους βαθμονόμησης, οι οποίες συνήθως περιορίζονται σε συγκεκριμένα σχήματα παλμών 6 ή συστήματα 7 . Αν και έχουν προταθεί θεωρητικά πιο γενικά σχήματα βελτιστοποίησης παλμών, δεν έχουν ακόμη εφαρμοστεί σε ένα πραγματικό κβαντικό σύστημα 8 ,9 , 10 . Τα τελευταία χρόνια, το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τους κβαντικούς αισθητήρες 11 , 12 , 13 διευκόλυνε μια πιο άμεση προσέγγιση, όπου το σήμα που φθάνει στο κύκλωμα ανιχνεύεται άμεσα. Συγκεκριμένα, τα υπεραγωγικά qubits έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς ως αισθητήρες φωτονίων λόγω της υψηλής ηλεκτρικής ροπής τους. Ενώ η ανίχνευση βασίζεται σε μια ποικιλία φυσικών φαινομένων όπως το φαινόμενο Cross-Kerr 14 , έχει εμφανιστεί η εμφάνιση του τριπλού Mollow 15 ή η ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια 16 , αυτές οι μέθοδοι περιορίζονται στις διακριτές συχνότητες των μεταβάσεων qubit. Μια εναλλακτική προσέγγιση λειτουργεί ένα qubit ως αναλυτής δικτύου διανυσμάτων, αλλά λειτουργεί μόνο στο καθεστώς MHz 17. Πρόσφατα, οι Schneider et al. απέδειξε ότι το φαινόμενο AC Stark σε κβαντικά συστήματα πολλαπλών επιπέδων (qudit) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση πεδίων μικροκυμάτων on-chip 18 . Εδώ, μετρήθηκαν σήματα σε ένα εύρος περισσότερων από ένα GHz. Όταν περιλαμβάνει υψηλότερα επίπεδα 19 , αυτός ο αισθητήρας μπορεί ταυτόχρονα να προσδιορίσει το πλάτος και τη συχνότητα ενός άγνωστου σήματος, προωθώντας το ως ένα χρήσιμο εργαλείο για πειράματα στην κβαντική οπτική 20 , 21 , 22 και την κβαντική φωτονική μικροκυμάτων 23 , 24 , 25, όπου η in-situ συχνότητα ανίχνευσης μπορεί να είναι επωφελής. Ωστόσο, οι τεχνικές φασματοσκοπικής μέτρησης που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα πειράματα απόδειξης αρχών προσφέρουν περιορισμένη ακρίβεια για εύλογους χρόνους απόκτησης δεδομένων. Σε αυτήν την εργασία, διερευνούμε τις δυνατότητες του τύπου του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην αναφορά. 18 για να χαρακτηρίσει τη μετάδοση μικροκυμάτων από την πηγή στο δείγμα. Χρησιμοποιούμε μια ρύθμιση μέτρησης με επίλυση χρόνου για να αυξήσουμε την απόδοση του αισθητήρα κατά τάξη μεγέθους. Εφαρμόζοντας ένα πολύ γνωστό σήμα μικροκυμάτων, ανιχνεύουμε το πλάτος της λειτουργίας μεταφοράς σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Τέλος, εκτιμούμε τα λάθη και τα όρια του συστήματος ανίχνευσης και συζητάμε τις δυνατότητες περαιτέρω βελτίωσης.>>>>>>>>>Αποτελέσματα Ο αισθητήρας που χρησιμοποιούμε στα πειράματα μας είναι ένα μη συντονίσιμο transmon υπεραγώγιμο ( ω 1 /2 π = 4.685 GHz), με ομόκεντρο σχεδιασμό 26 . Η αρχιτεκτονική του transmon προσφέρει χαμηλή αρμονικότητα (280 MHz), η οποία είναι ευεργετική για την ανίχνευση υψηλότερων μεταβάσεων qudit, καθώς και μια ενισχυμένη ροπή διπόλου, η οποία αυξάνει την ευαισθησία στα τοπικά πεδία εναλλασσόμενου ρεύματος 27 . Για να επιτραπεί ο χειρισμός ( P G , ω G ) και η ανάγνωση (μέσω αντηχείου) του qudit, το δείγμα συνδέεται με μια ρύθμιση μέτρησης που έχει επιλυθεί με το χρόνο (Εικ. 1 α). Μια επιπλέον πηγή μικροκυμάτων με συχνότητα ω F και ισχύ P Fεγκαταστάθηκε για τη δημιουργία πεδίου on-chip με πλάτος . Παραμελώντας τον αντηχείο ανάγνωσης, ο Hamiltonian που περιγράφει το σύστημά μας διαβάζει ΕΝΑ φά ∝ √ 1 0 Π φά / 10 dBm Η / ℏ = ∑ Εγώ μι Εγώ ℏ | Εγώ ⟩ ⟨ Εγώ | + ΕΝΑ σολ ( τ ) ( ^ σι + ^ σι † ) συν ω σολ τ + ΕΝΑ φά ( ^ σι + ^ σι † ) συν ω φά τ , (1) όπου οι τελεστές της αρμονικής εκμηδένισης και δημιουργίας και λαμβάνουν υπόψη τις διαφορετικές δυνάμεις σύζευξης στα επίπεδα του πομπού, τα οποία εκφράζονται στο Eigenbasis . Οι Eigenenergies E i υπολογίζονται από την ακριβή λύση του Transmon Hamiltonian 27 . Στη συνέχεια, επισημαίνουμε τις μεταβάσεις qudit ω i = E i - E i −1 και τις σχετικές παραμέτρους τους με πανομοιότυπους δείκτες. ^ σι ^ σι † | Εγώ Εικ. 1: Πειραματική ρύθμιση και μέθοδοι. Φιγούρα 
ένα Σχηματικό διάγραμμα του αισθητήρα transmon qudit και του αντηχείου ανάγνωσης (coplanar waveguide) που συνδέονται με την χρησιμοποιούμενη ρύθμιση μικροκυμάτων. Οι παλμοί πύλης ( P G , ω G ) και ανάγνωσης ( P M , ω M ) συγχωνεύονται με τον συνεχή τόνο ( P F , ω F ) που δημιουργεί το πεδίο μικροκυμάτων on-chip που πρέπει να μετρηθεί. Τα συνδυασμένα σήματα εξασθενούν επανειλημμένα μέσα στον κρυοστάτη πριν φτάσουν στο δείγμα που είναι τοποθετημένο στο στάδιο των 25 mK. b Γραφική αναπαράσταση της διαδικασίας μέτρησης αισθητήρα. Καθώς το qudit μεταβαίνει ω i ( i= 1, 2) μετατοπίζονται παρουσία ενός πεδίου μικροκυμάτων, αλλάζει η συχνότητα ω R, i των αντίστοιχων ταλαντώσεων Ramsey, για παράδειγμα για το ω 1 . Τα περιθώρια Ramsey αποκαλύπτουν έτσι το μέγεθος αυτών των μετατοπίσεων επιπέδου. Μαζί, οι μετατοπίσεις των δύο πρώτων επιπέδων qudit μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή του πλάτους και της συχνότητας του πεδίου μικροκυμάτωνΕικ. 2: Χρησιμοποιημένο σχήμα ανίχνευσης. Σχήμα 

Πρώτον, η μετατόπιση του πρώτου qudit μετάβαση Δ 1 καθορίζεται από τη συχνότητα των αντίστοιχων ταλαντώσεων Ramsey. Δεύτερον, Δ 1 χρησιμοποιείται για να ρυθμίσει την ηχηρή π -παλμό η οποία διεγείρει την qudit στο κατάσταση. Στη συνέχεια, ένα πρόσθετο πείραμα Ramsey εκτελείται μεταξύ και Δ μέτρησης 2 . Τρίτον, Δ 1 και Δ 2 υποβάλλονται σε επεξεργασία από ένα ζεύγος πινάκων αναζήτησης για να προσδιοριστεί η συχνότητα και το πλάτος του πεδίου μικροκυμάτων προκαλεί τα μετατοπίσεις. Εδώ, μόνο ο πίνακας αναζήτησης για Δ 1 | 1 ⟩ | 1 ⟩ | 2 ⟩ φαίνεται. Τα όρια του αισθητήρα που απεικονίζονται στον πίνακα αναζήτησης λαμβάνονται στην κύρια ενότητα.

Ευαισθησία και θόρυβος στα ηλεκτρικά οπτικά ραδιομέτρα μετατροπής THz

Αφηρημένη Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια μελέτη του θορύβου σε ραδιομετρητές THz σε θερμοκρασία δωματίου που χρησιμοποιούν μετατροπή THZ σε οπτική ακολουθούμενη από οπτική ανίχνευση θερμικής ακτινοβολίας. Παρά τον ανεπιθύμητο ανεπιθύμητο θερμικό θόρυβο, κανένας θόρυβος δεν εισάγεται εγγενώς από την αποτελεσματική ηλεκτρο-οπτική διαμόρφωση μέσω μιας διαδικασίας παραγωγής συχνοτήτων αθροίσματος σε αντηχεία υψηλής ποιότητας συντελεστή (Q). Ωστόσο, η συνεκτική και ασυνεπής οπτική ανίχνευση οδηγεί σε βασικά διαφορετικά χαρακτηριστικά θορύβου. Η ανάλυση δείχνει ότι ο δέκτης άνω μετατροπής είναι κβαντικός περιορισμός όπως συμβατικοί ενισχυτές και αναμικτήρες, μόνο όταν πραγματοποιείται ανίχνευση οπτικής ομοδιόνης ή ετεροδίνης. Ωστόσο, αυτός ο τύπος δέκτη εμφανίζει πλεονεκτήματα ως μετρητής φωτονίων THz, όπου η μέτρηση γίνεται στον οπτικό τομέα. Οι θεωρητικές προβλέψεις δείχνουν ότι οι δέκτες θερμοκρασίας δωματίου με βάση την μετατροπή μπορούν να ξεπεράσουν τους υπερσύγχρονους δέκτες THz με θερμοκρασία και θερμοκρασία δωματίου με βάση ενισχυτές και αναμικτήρες χαμηλού θορύβου, υπό την προϋπόθεση ότι επιτυγχάνεται αποτελεσματικότητα μετατροπής φωτονίων μεγαλύτερη από 1%. Αν και το εύρος ζώνης ανίχνευσης είναι φυσικά περιορισμένο λόγω του εξαιρετικά συντονισμένου ηλεκτρο-οπτικού διαμορφωτή, δεν είναι ουσιαστικά περιορισμένο και μπορεί να διευρυνθεί με τη μηχανική επιλεκτικών μηχανισμών οπτικής σύζευξης στον αντηχείο. Εισαγωγή Τα ραδιομετρητές κυμάτων χιλιοστών, terahertz και far-IR χρησιμοποιούνται στη ραδιοαστρονομία και την αστροφυσική, καθώς και στις επιστήμες της γης, καθώς πολλές σημαντικές γραμμές εκπομπών μεταξύ 200 GHz και 2,5 THz μπορούν να παρακολουθούνται για ρύπανση, μετεωρολογία και ατμοσφαιρική μοντελοποίηση, όπως αναθεωρήθηκε στο 1 . Στην περιβαλλοντική ατμοσφαιρική ανίχνευση, π.χ., κατασκευάστηκαν όργανα για την ανίχνευση της γραμμής οργανικού οξέος C10 στην ατμόσφαιρα στα 700 GHz 2 , για την παρατήρηση του μεγέθους των σωματιδίων νέφους και του παγόνερου από 240 έως 850 GHz 3 και για μετρήσεις ΟΗ στη στρατόσφαιρα και τη μεσόσφαιρα από το διάστημα στα 2,5 THz. Τα όργανα Space THz για φασματοσκοπία μοριακής γραμμής από περίπου 100 GHz έως 1,5 THz επανεξετάζονται στο 4. Άλλα ραδιομετρικά απεικόνισης άμεσης ανίχνευσης, προενίσχυσης και ετεροδίνης απεικονίστηκαν για να παρατηρούν ζώνες κύματος χιλιοστόμετρου και THz για διάφορες εφαρμογές όπως ανίχνευση κρυφών όπλων και απεικόνιση 5 , 6 , 7 , 8 , 9 . Μια πρόσφατη ανασκόπηση των κρυογονικών επίγειων και αερομεταφερόμενων ραδιοαστρονομικών οργάνων far-IR στο εύρος συχνοτήτων από 300 GHz έως 10 THz δίνεται σε 10 . Παρά τις επιτυχείς προσπάθειες όπως αυτές που αναφέρονται παραπάνω, η ανίχνευση υψηλής ευαισθησίας χαμηλού θορύβου στο εύρος συχνοτήτων THz παραμένει δύσκολη, καθώς οι συμβατικοί δέκτες είναι είτε ανύπαρκτοι είτε λιγότερο ευαίσθητοι από τους μικροκυμάτων και τους οπτικούς ομολόγους τους. Οι συνεκτικοί δέκτες χρησιμοποιούνται στη συμβολομετρία λόγω της απαίτησης διατήρησης των πληροφοριών φάσης. Ωστόσο, ακόμα και όταν απαιτούνται μόνο φασματικές πληροφορίες ισχύος, χρησιμοποιούνται συχνά δέκτες ετεροδίνης, δεδομένου ότι τα ψηφιακά φασματόμετρα backend μπορούν να επιλύσουν το φάσμα βασικής ζώνης και είναι μια απλούστερη προσέγγιση από τη χρήση σύνθετων τραπεζών φίλτρων πριν από έναν ασυνάρτητο ανιχνευτή 11 . Σχήμα 1απεικονίζει τους διάφορους τύπους δεκτών, όπου οι ανιχνευτές εμφανίζονται στα δεξιά και μπορούν να ανταποκριθούν στην ισχύ της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (D1), ή τα στοιχεία πεδίου σε φάση ή / και σε τετραγωνικό επίπεδο σε έναν τοπικό ταλαντωτή, ανάλογα με το αν μια ομοδυίνη ή ετεροδίνη χρησιμοποιείται το σχήμα (D2 και D3, αντίστοιχα). Το Σχήμα 1b, c δείχνει συμβατικά πρόσθια μέρη που διευκολύνουν την εργασία του ανιχνευτή προ-ενίσχυση ή μετατόπιση της λαμβανόμενης ακτινοβολίας σε χαμηλότερες συχνότητες. Σε έναν απλό άμεσο ανιχνευτή, η κεραία συνδέει την προσπίπτουσα ακτινοβολία με έναν ανιχνευτή τετραγώνου νόμου ή ένα βολόμετρο (Εικ. 1α-Δ1 ) που καθορίζει τον θόρυβο και επομένως συνήθως πρέπει να ψύχεται για υψηλή ευαισθησία, π.χ. 12 . Τα μπροστινά άκρα των κλασικών ραδιομέτρων, ωστόσο, είτε διαθέτουν ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA)6 , 13 ή ένα μίξερ, που φαίνεται σχηματικά στο Σχ. 1b, c , αντίστοιχα. Η ενίσχυση ή η χαμηλή μετατροπή του περιστατικού ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων THz σε ενδιάμεσες συχνότητες επιτρέπει τη χρήση τυπικών ανιχνευτών μικροκυμάτων θερμοκρασίας δωματίου, μεταφέροντας το μεγαλύτερο μέρος του προϋπολογισμού θορύβου στο frontend. Αυτές οι συνεκτικές τεχνικές παρέχουν πλάτος και φάση των λαμβανόμενων κυμάτων σε έναν ανιχνευτή ομοδόνιας ή ετεροδίνης (D2 και D3, αντίστοιχα στο σχήμα 1 ) που οδηγεί σε μια θεμελιώδη ποινή θορύβου γνωστή ως το κβαντικό όριο 14. Οι κρυογονικοί ενισχυτές χαμηλού θορύβου βασισμένοι σε τρανζίστορ κινητικότητας υψηλής ηλεκτρονικής (HEMT) και οι αναμεικτήρες Superconductor Insulator Superconductor (SIS) χρησιμοποιούνται ευρέως ως μπροστινά μέρη οργάνων εξαιρετικά χαμηλού θορύβου, επιτυγχάνοντας σε ορισμένες περιπτώσεις αριθμούς θορύβου μόλις μερικές φορές υψηλότερες από το κβαντικό όριο 15 , 16 .>>>
Γενικά σχήματα δέκτη και ανιχνευτή ραδιομέτρου. Η ισχύς της ακτινοβολίας THz που συλλέγεται από την κεραία, που αντιπροσωπεύεται εδώ από κάποια θερμοκρασία Τ Α , μπορεί να ληφθεί άμεσα και να ανιχνευθεί με άμεση ανίχνευση όπως στην περίπτωση (D1), ομοδιόνη (D2) ή ανίχνευση ετεροδίνης (D3). Για τη βελτίωση του SNR, η λαμβανόμενη ακτινοβολία συχνά προενισχύεται όπως στην περίπτωση ( β ), μετατρέπεται προς τα κάτω όπως στην περίπτωση ( γ ) ή μπορεί να μετατραπεί σε μετατροπή όπως στην περίπτωση ( δ )Το Σχήμα 2α δείχνει έναν μη ιδανικό μετατροπέα που συνδέεται με μια ιδανική κεραία που λαμβάνει θερμική ακτινοβολία THz με επίκεντρο τη συχνότητα v m από μια πηγή μαύρου σώματος μακρινού πεδίου σε θερμοκρασία Τ Α . Ο upconverter είναι ένας αποτελεσματικός EOM που απεικονίζουμε ως αντηχείο υψηλής ποιότητας WGM που αντλείται από λέιζερ σε συχνότητα v σελ . Ως εκ τούτου, οι οπτικές πλευρικές ζώνες δημιουργούνται σε συχνότητες v s  =  v p  ±  v m λόγω των διαδικασιών SFG και / ή DFG και στη συνέχεια φωτοανιχνεύονται. Προτιμάται μια διαδικασία SFG, δεδομένου ότι είναι απαλλαγμένη από αυθόρμητο παραμετρικό θόρυβο παραμέτρου (SPDC), και επομένως εγγενώς αθόρυβο 28 ,29 , 30 . Μοντελοποιούμε αυτόν τον δέκτη κάνοντας πρώτα κάποιες απλοποιήσεις. Θεωρούμε όλο το συζευγμένο θόρυβο περιβάλλοντος ως ισοδύναμη πηγή αναφοράς εισόδου σε θερμοκρασία Τ e όπως φαίνεται στο Σχ. 2β 25 . Στη συνέχεια, η απόδοση μη ενότητας διαμορφώνεται από ένα δέκτη δέσμης με ζεύξη η u πριν ή μετά από ένα ιδανικό EOM 29 , 30 . Αυτό συμβαίνει επειδή η uείναι απλώς η πιθανότητα ότι ένα φωτόνιο THz μετατρέπεται αντί να απορροφάται από τον αντηχείο κρυστάλλου. Μετά από αυτό, το EOM μπορεί να αντιμετωπιστεί ως 100% αποδοτικό και όχι θερμικά κατοικημένο. Λαμβάνοντας υπόψη μόνο μια διαδικασία SFG, τα στατιστικά στοιχεία φωτονίων είναι ίδια με την είσοδο και την έξοδο ενός τέτοιου ιδανικού EOM. Γενικά, οι συνεισφορές θερμικού θορύβου και φωτοβολταϊκού θορύβου στη συνολική εικόνα θορύβου του δέκτη διαφέρουν για ασυνεπή και συνεκτικά σχήματα οπτικής ανίχνευσης, όπως συζητείται παρακάτω.........>>>>2
( α ) Σχηματικό της μετατροπής της ακτινοβολίας THz μέσω ηλεκτρο-οπτικής διαμόρφωσης σε ένα αντηχείο υψηλής ποιότητας WGM. Μια οπτική αντλία σε συχνότητα v p συνδέεται με τον συντονιστή EOM WGM μέσω ενός πρίσματος, ενώ η ακτινοβολία THz ( v m ) συνδέεται από μια κεραία μέσω, π.χ. ενός διηλεκτρικού κυματοδηγού όπως στο 25 . Το EOM είναι θερμικά κατοικημένο λόγω της φυσικής του θερμοκρασίας T p και έχει απόδοση μετατροπής φωτονίων η u . Το διαμορφωμένο οπτικό πλευρική ζώνη συχνοτήτων ( v S ) στη συνέχεια συζεύγνυται από το συντονισμού διαμορφωτή σε έναν φωτοανιχνευτή. ( β) Ο upconverter μπορεί να μοντελοποιηθεί ως μια ιδανική αθόρυβη EOM αποδοτικότητας ενότητας, τροφοδοτούμενη από μια θερμική πηγή που αναφέρεται σε είσοδο σε ισοδύναμη θερμοκρασία T e . Ο εξασθενητής (διαχωριστής δέσμης) στην έξοδο διαμορφώνει την απόδοση φωτονίου η u .>>

Σχηματικό σχήμα ενός ραδιομέτρου που χρησιμοποιεί έναν ηλεκτρο-οπτικό διαμορφωτή ως μετατροπέα ακτινοβολίας THz στον οπτικό τομέα, ακολουθούμενο από ( α ) ομοιόμορφη ή ( β ) συνεκτική ανίχνευση ετεροδίνης. Σε καθένα από αυτά τα σχήματα, το κλάσμα της αντλίας λέιζερ v p πιθανώς να διαρρεύσει από τον EOM λόγω της ατελούς σύζευξης με τον συντονιστή WGM δεν χρειάζεται να φιλτραριστεί πριν από τη φωτοανίχνευση. Αυτό συμβαίνει επειδή η αντλία επαγόμενη φωτορεύματος ψέματα σε μία ενδιάμεση συχνότητα κοντά στο ν μ η οποία είναι σε ένα πραγματικό σενάριο πολύ μακριά από το εύρος ζώνης απόκριση του φωτοανιχνευτή.

Στενό περίβλημα ακτίνων Χ με στενή ζώνη με ιόντα υψηλής φόρτισης

Αφηρημένη Προτείνεται ένα σχέδιο για τη δημιουργία πλήρως συνεκτικών λέιζερ ακτίνων Χ με βάση την αναστροφή του πληθυσμού σε πολύ φορτισμένα ιόντα, που δημιουργήθηκε με γρήγορη φωτονικοποίηση εσωτερικού κελύφους χρησιμοποιώντας παλμούς ευρυζωνικών ακτίνων Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων-λέιζερ (XFEL) σε πλάσμα που παράγεται με λέιζερ. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις που βασίζονται στη θεωρία Maxwell – Bloch δείχνουν ότι κάποιος μπορεί να λάβει παλμούς ακτίνων Χ υψηλής έντασης, femtosecond σχετικών εύρους ζώνης Δ ω / ω  = 10 −5 –10 −7, με τάξεις μεγέθους μικρότερες από ό, τι στους παλμούς ακτίνων Χ ελεύθερου ηλεκτρονίου-λέιζερ για διακριτά μήκη κύματος έως το καθεστώς sub-ångström. Τέτοια λέιζερ ακτίνων Χ μπορούν να εφαρμοστούν στη μελέτη κβαντικών οπτικών και μετρολογικών ακτίνων Χ, διερεύνησης μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ ακτίνων Χ και ύλης ή σε μελέτες φασματοσκοπίας υψηλής ακρίβειας σε εργαστηριακές αστροφυσικές. Εισαγωγή Οι περισσότερες εγκαταστάσεις ακτίνων Χ με λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου (XFEL) σε λειτουργία ή υπό κατασκευή παράγουν σκληρούς παλμούς ακτίνων-x με βάση τη διαδικασία αυτο-ενισχυμένης αυτόματης εκπομπής (SASE). Παρά το ευρύ (Δ ω / ω  ~ 10 −3 ) και το χαοτικό φάσμα 1 , τέτοιοι παλμοί ακτίνων Χ υψηλής έντασης, εγκάρσια συνεκτικοί έχουν βρει διαφορετικές εφαρμογές στη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία 2 , 3 , 4 . Ωστόσο, τρέχουσες και μελλοντικές έρευνες για κβαντικές οπτικές ακτίνες Χ 5 , 6 , 7 , μη γραμμική σκέδαση ακτίνων Χ 8 , φασματοσκοπία ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης 9 , 10, διασκορπισμένα με συχνότητα ακτίνες Χ 11 , 12 και συνεκτικά πειράματα αντλίας ακτίνων Χ 13 , 14 , 15 απαιτούν επίσης μια διαμήκως συνεκτική πηγή ακτίνων Χ με στενότερο και ομαλό φάσμα. Επομένως, έχουν καταβληθεί σημαντικές προσπάθειες για τη δημιουργία παλμών ακτίνων Χ με καλύτερη χρονική συνοχή και χαμηλότερο εύρος ζώνης 5 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 . Διαφορετικά σχέδια σποράς έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στις εγκαταστάσεις 16 , 17 , 18 , 19 , 20 του XFEL . Στο καθεστώς σκληρών ακτίνων-x, ο μηχανισμός αυτο-σποράς έχει μειώσει το σχετικό εύρος ζώνης στο επίπεδο των 5 × 10 −5 σε ενέργειες φωτονίων 8-9 keV (αναφ. 17 ). Ωστόσο, σε υψηλότερες ενέργειες περίπου 30 keV, το προβλεπόμενο σχετικό εύρος ζώνης για τους σπόρους XFELs είναι περίπου 4 × 10 −4  (αναφ. 1). Έχει επίσης προταθεί περαιτέρω μείωση του εύρους ζώνης με ταλαντωτές XFEL χαμηλού κέρδους (XFELOs). Ανακυκλοφορώντας τους παλμούς ακτίνων Χ μέσω ενός κυματοειδούς κυματοειδούς κυματοειδούς, οι ακτίνες Χ εξόδου έχουν εκτιμώμενο σχετικό εύρος ζώνης τόσο μικρότερο από 10 −7  (αναφ. 5 , 21 ). Μέχρι σήμερα, ωστόσο, το σχήμα XFELO παραμένει μη δοκιμασμένο. Τα λέιζερ ακτίνων Χ (XRL) που υιοθετούν ατομικές μεταβάσεις παρέχουν μια εναλλακτική προσέγγιση έναντι πηγών ακτίνων Χ με υψηλή φωτεινότητα και χρονική συνοχή 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Τα XRL με βάση το πλάσμα έχουν επιτύχει κορεσμένη ενίσχυση για διαφορετικά μήκη κύματος στο σύστημα μαλακών ακτίνων Χ. Αυτά τα μαλακά-XRL βασίζονται κυρίως στα 3 p  → 3 s ή 4 d  → 4 pμεταβάσεις σε Ne- ή Ni-like πολύ φορτισμένα ιόντα (HCIs) για στοιχεία που κυμαίνονται από Si έως Au, όπου η αναστροφή του πληθυσμού επιτυγχάνεται μέσω διέγερσης ηλεκτρονίων σε θερμό πυκνό πλάσμα με μήκη από μερικά εκατοστά έως δεκάδες εκατοστά 26 , 27 , 28 . Χρησιμοποιώντας ένα σπορά ή ένα διαφορετικό σχήμα άντλησης 28 , έχει επιτευχθεί κορεσμένο μαλακό περίβλημα ακτίνων-Χ από πλάσμα υψηλής απόδοσης χιλιοστόμετρου. Το πρώτο σκληρό-XRL προτάθηκε αρχικά μέσω άμεσης άντλησης της μετάβασης 1 s −1  → 2 p −1 μέσω φωτοιονισμού ενός ηλεκτρονίου K-shell 29. Περιορισμένος από την υψηλή ισχύ της αντλίας, αυτό το σχέδιο επιδείχθηκε μόνο τα τελευταία χρόνια μετά τη διάθεση των XFEL. Ως αποτέλεσμα της υψηλής απόδοσης άντλησης XFEL, επιτεύχθηκε ένα XRL στα 846 eV με κορεσμένη ένταση σε αέριο νέον μήκους 2,8 mm 22 , με εκτιμώμενο κλασματικό εύρος ζώνης 3 × 10 −4 λόγω της γρήγορης διάσπασης του Auger του ανώτερη κατάσταση επένδυσης. Σε ένα πείραμα με στερεό χαλκό, ένα XRL με ένταση υπο-κορεσμού σε ενέργεια φωτονίου 8 keV παράχθηκε 23 , με μετρημένο σχετικό εύρος ζώνης 2 × 10 −4 . Μείωση του εύρους ζώνης κατά άλλη τάξη μεγέθους μέσω της μακράς διαρκείας 2 p  → 1 s διπολική μετάβαση στο Ne 9+που δημιουργήθηκε από τον παλμό αντλίας XFEL συζητήθηκε επίσης 30 , αλλά καθίσταται αναποτελεσματικό για βαρύτερα ιόντα με ενέργειες μετάβασης μεγαλύτερες από 10 keV. Για παράδειγμα, ο αυθόρμητος ρυθμός εκπομπής της μετάβασης ηλεκτρικού διπόλου 2 p → 1 s , κλιμάκωση ως Z 4 (με το Z τον ατομικό αριθμό), είναι περίπου 1/160 fs −1 για το Ne 9+ με ενέργεια μετάβασης 1,022 keV , και γίνεται 1 / 1,7 fs −1 για Ga 30+ με ενέργεια μετάβασης 10 keV. Απαιτούνται επομένως εναλλακτικά σχήματα για την απόκτηση XRL στενής ζώνης σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες φωτονίων, π.χ., βαθιά στο σύστημα ακτίνων Χ.
Εδώ παρουσιάζουμε ένα XRL με βάση το πλάσμα που βασίζεται στη μετάβαση 1 s 2 l  → 1 s 2 ( l  =  s , p ) σε HCI τύπου He και αντλείται από παλμό XFEL (Εικ. 1 ). Το επιβλαβές κανάλι Auger-αποσύνθεσης δεν υπάρχει λόγω της έλλειψης ηλεκτρονίων εξωτερικού κελύφους. Επιλέγοντας μια μετάβαση χωρίς δίπολο το λέιζερ που αποσυντίθεται αργά, αυτό επιτρέπει την κορεσμένη επένδυση για ενέργειες φωτονίων πάνω από 10 keV και οδηγεί σε περαιτέρω μείωση του εύρους ζώνης XRL κατά αρκετές τάξεις μεγέθους. Τέτοια συνεκτικά XRL θα επιτρέψουν εφαρμογές στον αναπτυσσόμενο τομέα των κβαντικών οπτικών ακτίνων Χ 5 , 6 , 7 , 31, 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 και μετρολογία 9 , 10 , εκτός από τις έρευνες για μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ακτίνων Χ και ύλης 8 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44 και υψηλής μελέτες φασματοσκοπίας ακριβείας στην εργαστηριακή αστροφυσική 45 , 46 . Φιγούρα 

Φωτονική ανάγνωση των υπεραγωγών ανιχνευτών μεμονωμένων φωτονίων Nanowire

Αφηρημένη Η κλιμακούμενη, χαμηλής ισχύος, μεταφορά δεδομένων υψηλής ταχύτητας μεταξύ κρυογονικών (0,1-4 K) και περιβάλλοντος θερμοκρασίας δωματίου είναι απαραίτητη για την πραγματοποίηση πρακτικών, μεγάλης κλίμακας συστημάτων που βασίζονται σε υπεραγωγικές τεχνολογίες. Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την υπέρβαση των περιορισμών των συμβατικών ενδείξεων με βάση το σύρμα είναι η χρήση της επικοινωνίας οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν χαμηλότερο φορτίο θερμότητας 100-1000x από τις συμβατικές ηλεκτρικές καλωδιώσεις, χαλαρώνοντας τις απαιτήσεις για θερμική αγκύρωση και είναι επίσης απρόσβλητες από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, η οποία επιτρέπει τη δρομολόγηση ευαίσθητων σημάτων με βελτιωμένη ανθεκτικότητα στον θόρυβο και το crosstalk. Το πιο σημαντικό, οι οπτικές ίνες επιτρέπουν πολύ υψηλές πυκνότητες εύρους ζώνης (στα Tbps / mm 2εύρος) μεταφέροντας πολλαπλά σήματα μέσω της ίδιας φυσικής ίνας (Multiplexing Division Wavelength Division, WDM). Εδώ, επιδεικνύουμε για πρώτη φορά οπτική ανάγνωση ενός υπεραγωγού ανιχνευτή μονό-φωτονίων nanowire (SNSPD) που συνδέεται άμεσα με έναν φωτονικό διαμορφωτή CMOS, χωρίς την ανάγκη για μια συσκευή διασύνδεσης. Με τη λειτουργία του διαμορφωτή στο καθεστώς προκατάληψης προς τα εμπρός σε θερμοκρασία 3,6 K, επιτυγχάνουμε πολύ υψηλή απόδοση διαμόρφωσης (1.000–10.000 pm / V) και χαμηλή αντίσταση εισόδου 500 Ω με χαμηλή απόκριση ισχύος 40  μ W. Αυτό επιτρέπει να αποκτήσουμε οπτική διαμόρφωση με το σήμα χαμηλού επιπέδου millivolt που παράγεται από το SNSPD......Εισαγωγή Αν και πολλά υποσχόμενο, η οπτική ανάγνωση κρυογονικών συσκευών είναι δύσκολη. Πρώτον, χρειαζόμαστε ημιαγωγούς ηλεκτρο-οπτικές συσκευές που λειτουργούν σε κρυογονικές θερμοκρασίες, όπου επιδράσεις όπως η κατάψυξη φορέων (ο ελλιπής ιονισμός των ρ-και ν-τύπου ντόπιντων λόγω μειωμένης θερμικής ενέργειας) μπορούν να εμποδίσουν την απόδοση της συσκευής 1 . Δεύτερον, ενώ οι υπεραγωγικές συσκευές έχουν εγγενώς χαμηλή αντίσταση, οι τυπικές αντίσταση εισόδου για ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές είναι υψηλές (> 100  kΩ). Αυτή η αναντιστοιχία αντίστασης καθιστά την άμεση παράδοση ηλεκτρικών σημάτων από την υπεραγωγική συσκευή στον διαμορφωτή. Τρίτον, πρέπει να λειτουργήσουμε με τα ηλεκτρικά σήματα εύρους mV που χαρακτηρίζουν τα υπεραγώγιμα ηλεκτρονικά, ενώ τα σήματα οδήγησης για συμβατικούς ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές θερμοκρασίας δωματίου βρίσκονται στην περιοχή 0,5 V-2 V. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, οι προηγούμενες επιδείξεις βασίστηκαν στη χρήση μιας συσκευής διασύνδεσης μεταξύ των υπεραγωγών και των ηλεκτρο-οπτικών συσκευών. Η χρήση ενισχυτών ημιαγωγών είναι δυνατή 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , αλλά η απόρριψη ισχύος κλίμακας mW εμποδίζει την επεκτασιμότητά της. Μια άλλη εναλλακτική λύση είναι να χρησιμοποιήσετε ένα νανοκρυρόνιο 8 , αλλά αυτό απαιτεί ενεργή επαναφορά της συσκευής κάθε φορά που δημιουργείται ένας παλμός. Πρόσφατα, έχει αναφερθεί η χρήση ενός κρυογονικού θερμικού διακόπτη για να οδηγήσει μια δίοδο λέιζερ με χαμηλή κατανάλωση ισχύος 9 , αλλά ένας αργός χρόνος απενεργοποίησης 15 ns περιορίζει το εφικτό εύρος ζώνης αυτής της προσέγγισης. Εδώ, χρησιμοποιούμε έναν οπτικό διαμορφωτή πυριτίου που μεροληπτεί στο καθεστώς προώθησης. Λόγω της υψηλής απόδοσης, η διαμόρφωση του οπτικού φορέα επιτυγχάνεται με τις μικρές τάσεις που δημιουργούνται από το SNSPD. Λόγω της χαμηλής αντίστασης εισόδου, είναι δυνατή η άμεση παράδοση του σήματος SNSPD στον διαμορφωτή. Ως εκ τούτου, πραγματοποιούμε οπτική ανάγνωση χωρίς την ανάγκη συσκευής διασύνδεσης (Εικ. 1 (α) )
Διαμορφωτής CMOS προς τα εμπρός για κρυογονική οπτική ανάγνωση. ( α ) Σύστημα οπτικής ανάγνωσης. Η υπεραγωγική συσκευή (ένα SNSPD εδώ) οδηγεί απευθείας έναν οπτικό διαμορφωτή, ο οποίος κωδικοποιεί τα δεδομένα σε έναν οπτικό φορέα. Δεξιά: Μικρογραφία (πάνω) και διάταξη (κάτω) του διαμορφωτή δακτυλίου πυριτίου σχήματος Τ. ( Β ) ρη ζώνη διασταύρωση αγωγιμότητας Modulator και δωρεάν διανομή ηλεκτρονίων \ (n (E) \) για τάσεις V και V + Δ V . Λόγω του ότι το \ (n (E) \) κατανέμεται καλά σε χαμηλές θερμοκρασίες, το ίδιο Δ V οδηγεί σε ισχυρότερη έγχυση ρεύματος. ( γ ) Φάσματα μετάδοσης του διαμορφωτή σε διαφορετικές τάσεις πόλωσης. ( δ) Καμπύλη IV του διαμορφωτή. Η λειτουργία χαμηλής θερμοκρασίας αυξάνει την τάση ενεργοποίησης (λόγω του αυξημένου δυναμικού) και της κλίσης IV (λόγω αυστηρότερης κατανομής \ (n (E) \) ). ( ε ) Διαφορική αντίσταση του διαμορφωτή ( \ ({r} _ {d} = dV / dI = {k} _ {B} T / qI + {R} _ {s} \) ). Στα 3,6 K και ρεύματα> 5 μΑ , ο ιονισμός μειώνει την αντίσταση της σειράς. ( στ ) Απόδοση διαμόρφωσης έναντι τάσης. Μια εκθετική αύξηση μετριέται σε μεροληψία προς τα εμπρός. ( ζ ) Απόδοση διαμόρφωσης έναντι ηλεκτρικής ισχύος DC. Υψηλότερη απόδοση επιτυγχάνεται για την ίδια ισχύ στα 3,6 K. ( h ) Αλλαγή μετάδοσης έναντι αποσύνδεσης μεταξύ μήκους κύματος λέιζερ λ και μήκους κύματος συντονισμούλ 0 για κατανάλωση ισχύος 1,3 μ W DC και σήμα AC 2 mV. Η αυξημένη απόδοση διαμόρφωσης καθιστά το Δ T πολύ πιο δυνατό σε χαμηλές θερμοκρασίες.>>>>

Αρχή λειτουργίας της οπτικής ανάγνωσης SNSPD. ( α ) Το υπεραγώγιμο SNSPD παρέχει μια διαδρομή χαμηλής σύνθετης αντίστασης στο έδαφος, έτσι ώστε όλο το ρεύμα προκατάληψης να ρέει μέσα από αυτό. ( β ) Όταν το SNSPD απορροφά ένα φωτόνιο, η ανεπτυγμένη αντίσταση hotspot εκτρέπει το ρεύμα στην ένδειξη, παράγοντας έναν παλμό τάσης που οδηγεί τον διαμορφωτή και μετατοπίζει τον συντονισμό του, αλλάζοντας έτσι το μεταδιδόμενο φως. ( γ ) Το κύκλωμα παθητικής επαναφοράς παρέχει μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης στο έδαφος, επιτρέποντας στο hotspot να χαλαρώσει θερμικά και το SNSPD να επιστρέψει στην υπεραγωγική του κατάσταση. C DECOUPLING  = 100 pF, L RESET  = 8 μ H, R RESET  = 50 Ω.

Πειραματική υλοποίηση καθολικών μη διαβατικών γεωμετρικών κβαντικών πυλών σε ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα

Η χρήση γεωμετρικών φάσεων για την πραγματοποίηση κβαντικών υπολογιστών ανθεκτικών στον θόρυβο είναι μια σημαντική μέθοδος για την ενίσχυση της πιστότητας ελέγχου. Σε αυτήν την εργασία, συνειδητοποιούμε πειραματικά μια καθολική μη διαβατική γεωμετρική κβαντική πύλη σε μια υπεραγωγική αλυσίδα qubit. Χαρακτηρίζουμε τις πραγματικές γεωμετρικές πύλες μονής και δύο qubit με τόσο τομογραφία κβαντικής διαδικασίας όσο και τυχαιοποιημένες μεθόδους συγκριτικής αξιολόγησης. Η μέτρηση της μέσης πιστότητας για τις πύλες περιστροφής ενός qubit και ελεγχόμενη δύο qubit - ZΗ πύλη είναι 0,9977 (1) και 0,977 (9), αντίστοιχα. Εκτός αυτού, αποδεικνύουμε επίσης πειραματικά το ανθεκτικό στο θόρυβο χαρακτηριστικό των πραγματοποιημένων γεωμετρικών πυλών ενός qubit συγκρίνοντας την απόδοσή τους με τις συμβατικές δυναμικές πύλες με διαφορετικούς τύπους σφαλμάτων στο πεδίο ελέγχου. Έτσι, το πείραμά μας αποδεικνύει έναν τρόπο επίτευξης υψηλής πιστότητας γεωμετρικών κβαντικών πυλών για ισχυρούς κβαντικούς υπολογισμοus......Μη διαβατικές γεωμετρικές πύλες επιπλέον qubit. (α) Αναπαράσταση σφαίρας Bloch της τροχιάς διακρίσεις για την ταυτότητα γεωμετρικών πυλών μονού qubit. (β) Απλοποιημένο σχηματικό κύκλωμα του άλλου φύσης δια-Xmon-qubit, με τα ταδιαθέτοντας γειτονικά qubit

${\mathrm{{\rm E}\rho }}_{\mathrm{{\rm E}{\rm N}{\rm A}}}$ και ${\mathrm{{\rm E}\rho }}_{\mathrm{\sigma \iota \lambda ί}}$εξετάζεται σε αυτό το έργο. (γ) Η πειραματική ακολουθία παλμών για τον χαρακτηρισμό της απόδοσης των μη διαβατικών γεωμετρικών πυλών μονού qubit με τη μέθοδο QPT. Η γεωμετρική πύλη πραγματοποιείται από τρεις περικομμένους Gaussian παλμούς με διαφορετικά πλάτη και φάσεις. (δ) Γραφήματα των πραγματικών και φανταστικών τμημάτων του${\chi }_{\mathrm{\lambda .\chi .}}$ από τέσσερις συγκεκριμένες πύλες: ${\rm X}$, ${\rm X}/2$, $\Gamma /2$, και Hadamard ${\rm H}$, δίνοντας μια μέση πιστότητα διαδικασίας 0,9980 (14). Οι αριθμοί στο${\rm X}$ και $\epsilon$ οι άξονες αντιστοιχούν στους χειριστές στο σύνολο βάσεων $\{\mathrm{{\rm E}\gamma ώ},{\sigma }_{{\rm X}},-\mathrm{{\rm E}\gamma ώ}{\sigma }_{\epsilon },{\sigma }_{\zeta }\}$ στο $\left\{\right|0⟩,|1⟩\}$υποπεριοχή. Τα συμπαγή μαύρα περιγράμματα είναι για τις ιδανικές πύλες.

>Γεωμετρική πύλη CZ δύο qubit. (α) Πειραματική ακολουθία παλμών για την εκτέλεση QPT δύο qubit της γεωμετρικής πύλης CZ, η οποία πραγματοποιείται με δύο τετραγωνικούς παλμούς με επιπλέον άκρα ανόδου και πτώσης (μαύρο κουκκίδα). (β) Πραγματικό μέρος του πίνακα πειραματικών διεργασιών χ λ.χ. για τη γεωμετρική πύλη CZ, δίνοντας πιστότητα διεργασίας 0,941 (13). Το μετρημένο φανταστικό μέρος είναι μικρότερο από 0,09 και δεν εμφανίζεται. Οι αριθμοί στο Χ και ε οι άξονες αντιστοιχούν στους χειριστές στο σύνολο βάσεων { Εγώ , σ Χ , - Εγώ σ ε , σ ζ } ⊗ 2 στο { | 00 ⟩ , | 01 ⟩ , | 10 ⟩ , | 11 ⟩ } υποπεριοχή. Τα συμπαγή μαύρα περιγράμματα είναι για την ιδανική πύλη CZ. (γ) Δεδομένα RB δύο qubit της γεωμετρικής πύλης CZ μεταξύ qubits Ερ ΕΝΑ και Ερ σι , με εκχυλισμένο φά ΠΑΡΤΙΔΑ = 0,977 ( 9 ) . Επαναχρησιμοποίηση και 

Ο παγιδευμένος κβαντικός υπολογιστής ιόντων γυρίζει 25

Είναι δύσκολο να ορίσουμε μια καθορισμένη ημερομηνία για να σηματοδοτήσουμε την αρχή του πεδίου της κβαντικής πληροφορικής. Κάποιοι μπορεί να το εντοπίσουν στο διάσημο έγγραφο του Richard Feynman από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, άλλοι ίσως προτιμούν να ξεκινήσουν με τον κβαντικό αλγόριθμο του Peter Shor το 1994 για παραγοντοποίηση ή παλαιότερους αλγόριθμους που αναπτύχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Αλλά όταν πρόκειται για την πρώτη αντίληψη για το πώς να δημιουργήσετε πραγματικά έναν κβαντικό υπολογιστή, ένα αποτέλεσμα ξεχωρίζει. Στις 15 Μαΐου 1995, δημοσιεύθηκε ένα έγγραφο από τους Ignacio Cirac και Peter Zoller στο Physical Reviews Letters . Έδειξε ότι τα ατομικά ιόντα, παγιδευμένα σε κενό και ψύχθηκαν χρησιμοποιώντας λέιζερ, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως qubits με τα οποία θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν στοιχειώδεις κβαντικές λογικές λειτουργίες. Το χαρτί Cirac – Zoller μετέτρεψε τον κβαντικό υπολογισμό από μια τολμηρή θεωρητική ιδέα σε έναν πειραματικό αγώνα για την κατασκευή μιας πραγματικής συσκευής. Στο Διεθνές Συνέδριο για την Ατομική Φυσική το 1994, οι φυσικοί μοιράστηκαν τον ενθουσιασμό για τον πρόσφατα δημοσιευμένο αλγόριθμο του Shor και τις δυνατότητες που προσφέρει ένας κβαντικός υπολογιστής. Ο Artur Ekert, ένας από τους πρωτοπόρους της κβαντικής κρυπτογραφίας, αμφισβήτησε τους ατομικούς φυσικούς: πώς μπορούμε να οικοδομήσουμε ένα; Τα πρώτα υποψήφια qubits ήταν φωτόνια, αλλά για να εκτελέσουν λειτουργίες δύο-qubit, απαραίτητα για τον κβαντικό υπολογισμό, τα qubits πρέπει να αλληλεπιδράσουν και τα φωτόνια δεν είναι αλληλεπιδρώντας. Οι Cirac και Zoller πρότειναν μια διαφορετική διαδρομή: ιόντα. Η παγίδευση ιόντων και η ψύξη ήταν γνωστές τεχνολογίες, επιτρέποντας στα ιόντα να απομονωθούν από το περιβάλλον και η κίνησή τους να παγώσει. Τα εσωτερικά επίπεδα ενέργειας του ιόντος θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση των δύο καταστάσεων του qubit. Αυτά θα μπορούσαν να χειραγωγηθούν και να διαβαστούν με συναρπαστικό τις ατομικές μεταβάσεις χρησιμοποιώντας λέιζερ. Όλα αυτά τα συστατικά υποσχέθηκαν ένα καθαρό, ελεγχόμενο σύνολο qubits έτοιμο για εκτέλεση κβαντικών λειτουργιών. «Ήταν μια υπέροχη στιγμή που διήρκεσε περίπου 3 μήνες και πραγματικά απολαύσαμε να δούμε πώς διαφορετικά κομμάτια ενώθηκαν», θυμούνται οι Cirac και Zoller. Αλλά ένα κρίσιμο συστατικό έλειπε: μια πύλη δύο qubit, πιο συγκεκριμένα, μια πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ, η οποία αντιστρέφει την κατάσταση ενός qubit ανάλογα με την κατάσταση ενός άλλου (ελέγχου) qubit. Για να συνειδητοποιήσουμε μια τέτοια πύλη, χρειαζόταν ένας τρόπος μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ qubits. μια πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ, η οποία αντιστρέφει την κατάσταση ενός qubit ανάλογα με την κατάσταση ενός άλλου (ελέγχου) qubit. Για να συνειδητοποιήσουμε μια τέτοια πύλη, χρειαζόταν ένας τρόπος μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ qubits. μια πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ, η οποία αντιστρέφει την κατάσταση ενός qubit ανάλογα με την κατάσταση ενός άλλου (ελέγχου) qubit. Για να συνειδητοποιήσουμε μια τέτοια πύλη, χρειαζόταν ένας τρόπος μεταφοράς πληροφοριών μεταξύ 

«Μετά από αρκετές προσπάθειες, καταλήξαμε σε μια ιδέα να το κάνουμε χρησιμοποιώντας το« phonon bus », το οποίο είναι ένα σύνολο βαθμών ελευθερίας που μοιράζονται όλα τα qubits, κάτι που χρησιμοποιείται τώρα και με άλλες πλατφόρμες», θυμούνται οι Cirac και Zoller . Χρησιμοποιώντας λέιζερ, τα εσωτερικά επίπεδα ενέργειας των ιόντων μπορούν να συζευχθούν με τους εξωτερικούς κινητικούς βαθμούς ελευθερίας (ο τηλεφωνικός δίαυλος) που είναι κοινός για τα ιόντα που παγιδεύονται μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, οι πληροφορίες θα μπορούσαν να κοινοποιηθούν μεταξύ διαφορετικών ιόντων και θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν υπό όρους λειτουργίες όπως η πύλη ελεγχόμενης-ΔΕΝ. Μέχρι το τέλος του 1995, ερευνητές στο NIST είχαν ήδη εφαρμόσει τις ιδέες του Cirac και του Zoller και έδειξαν μια πύλη ελεγχόμενης ΔΕΔ με δύο qubit χρησιμοποιώντας ιόντα βηρυλλίου. Από εκεί, η τεχνολογία εξελίχθηκε γρήγορα και σήμερα η τελευταία λέξη της τεχνολογίας είναι εκατοντάδες πύλες και δεκάδες ιόντα.

Καλή τοποθέτηση της αποτελεσματικής θεωρίας πεδίου Scalar-Tensor

Η αποτελεσματική θεωρία πεδίου παρέχει έναν τρόπο παραμετροποίησης των αποκλίσεων ισχυρού πεδίου από τη γενική σχετικότητα που μπορεί να παρατηρηθούν στα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται σε μια συγχώνευση μαύρων οπών. Για την πραγματοποίηση αριθμητικών προσομοιώσεων συγχωνεύσεων σε τέτοιες θεωρίες, είναι απαραίτητο οι εξισώσεις να γράφονται σε μια μορφή που να δέχεται μια καλή στάση αρχικής αξίας. Μελετάμε τη βαρύτητα σε συνδυασμό με ένα κλιματικό πεδίο, συμπεριλαμβανομένων των κορυφαίων (τεσσάρων παραγώγων) αποτελεσματικών διορθώσεων θεωρίας πεδίου. Παρουσιάζουμε μια νέα κατηγορία "τροποποιημένων αρμονικών" μετρητών και σταθερών μετρητών εξισώσεων κίνησης, έτσι ώστε, σε αδύναμη σύζευξη, οι εξισώσεις να είναι έντονα υπερβολικές και επομένως να αποδεχτούμε μια καλή στάση αρχικής αξίας

Εικ. 1: Σχηματικό διάγραμμα του πρωτοκόλλου κατανομής εμπλοκής με τη χρήση βοηθητικών φωτονίων αντίθετης διάδοσης.

Η Αλίκη προετοιμάζει και στέλνει το φωτόνιο Β στον Μπομπ. Ο Μπομπ ετοιμάζει ένα διαγώνια πολωμένο βοηθητικό φωτόνιο R και το στέλνει στην Αλίκη. b Μετά τη μετάδοση των SMF, η Alice εκτελεί το QPC στα φωτόνια A και R. ∣ ∣ Φ + ⟩ ΕΝΑ Από την υπόθεση των συλλογικών θορύβων, ο μετασχηματισμός της κατάστασης πόλωσης που σχηματίζεται από τα φωτόνια A, B και R στα SMFs εκφράζεται ως ∣ ∣ Φ + ⟩ ΕΝΑ σι ⊗ | ρε ⟩ Ρ → 1 2 ( α φά Η , Η | Η Η ⟩ ΕΝΑ σι + α φά Η , Β | Η Β ⟩ ΕΝΑ σι + β φά Β , Η | Β Η ⟩ ΕΝΑ σι + β φά Β , Β | Β Β ⟩ ΕΝΑ σι ) ⊗ ( α σι Η , Η | Η ⟩ Ρ + α σι Η , Β | Β ⟩ Ρ + β σι Β , Η | Η ⟩ Ρ + β σι Β , Β | Β ⟩ Ρ ) , (1) όπου είναι το πλάτος πιθανότητας με το οποίο το i- πολωμένο φωτόνιο μετατρέπεται σε j- πολωμένο φωτόνιο μέσω της προώθησης προς τα εμπρός (προς τα πίσω) στο Τα SMF ↑ και είναι τα ίδια για SMF ↓ . Στα αμοιβαία μέσα όπως SMF, και κρατήστε πατημένο το 26 . Αφού περάσετε από το SMF ↑ και το SMF ↓ α φά ( σι ) Εγώ , ι β φά ( σι ) Εγώ , ι α φά Η , Η = α σι Η , Η : = α Η β φά Β , Β = β σι Β , Β : = β Β , τα φωτόνια πόλωσης H και V εξάγονται αντίστοιχα από τις κάτω θύρες των PBS A και PBS B , και το φωτόνιο που αναστρέφεται στα SMF απορρίπτεται. Δηλαδή, οι όροι που αφορούν , και απορρίπτονται. Στη συνέχεια, η Άλις και ο Μπομπ αποκτούν μια μη κανονικοποιημένη κατάσταση ως α φά ( σι ) Η , Β α φά ( σι ) Β , Η β φά ( σι ) Η , Β β φά ( σι ) Β , Η | Ψ ⟩ ΕΝΑ σι ′ Ρ ′ = 1 2 ( α 2 Η | Η Η Η ⟩ ΕΝΑ σι ′ Ρ ′ + β 2 Β | Β Β Β ⟩ ΕΝΑ σι ′ Ρ ′ + α Η β Β | Η Η Β ⟩ ΕΝΑ σι ′ Ρ ′ + α Η β Β | Β Β Η ⟩ ΕΝΑ σι ′ Ρ ′ ) . (2) Οι δύο τελευταίοι όροι στην Εξ. ( 2 ) εξάγονται εκτελώντας τον κβαντικό έλεγχο ισοτιμίας (QPC) 33 στα φωτόνια Α και R στην πλευρά της Αλίκης όπως φαίνεται στο Σχ. 1 β. Οι τελεστές Kraus K και για τα γεγονότα επιτυχίας και αποτυχίας του QPC περιγράφονται από και ′ ¯¯ ¯ ¯¯ κ κ = | Η Η ⟩ ΕΝΑ ′ Ρ ′ ′ ⟨ Η Β | ΕΝΑ Ρ ′ + | Β Β ⟩ ΕΝΑ ′ Ρ ′ ′ ⟨ Β Η | ΕΝΑ Ρ ′ ¯¯ ¯ ¯¯ κ = √ Εγώ - κ † κ , αντίστοιχα. Όταν η Αλίκη εκτελεί προβολική μέτρηση στο φωτόνιο στη λειτουργία R ″ , η υπόλοιπη κατάσταση πόλωσης που μοιράζεται μεταξύ της Άλις και του Μπομπ γίνεται ή σύμφωνα με το αποτέλεσμα της μέτρησης, όπου = ( { | ρε ⟩ ⟨ ρε | , | ΕΝΑ ⟩ ⟨ ΕΝΑ | } ∣ ∣ Φ + ⟩ ΕΝΑ ′ σι ′ ∣ ∣ Φ - ⟩ ΕΝΑ ′ σι ′ ∣ ∣ Φ - ⟩ ΕΝΑ ′ σι ′ | Η Η ⟩ ΕΝΑ ′ σι ′ - | Β Β ⟩ ΕΝΑ ′ σι ′ ) / . μπορεί να μετατραπεί σε εκτελώντας λειτουργία αναστροφής φάσης στο φωτόνιο Α . Η συνολική επιτυχής πιθανότητα αυτού του συστήματος είναι | α H | 2 | της β V | 2 /2. √ 2 ∣ ∣ Φ - ⟩ ∣ ∣ Φ + ⟩ ′ Υποθέτοντας ότι οι μετατοπίσεις φάσης και οι περιστροφές πόλωσης είναι εντελώς τυχαίες και ότι η μετάδοση ενός μόνο φωτονίου για κάθε λειτουργία είναι T = ∣ α H ∣ 2 = ∣ β V ∣ 2 , η πιθανότητα με την οποία τα φωτόνια B και R μεταδίδουν τα κανάλια απώλειας είναι . Αυτή η πιθανότητα βελτιώνεται σε χρησιμοποιώντας συνεκτικό παλμό φωτός με μέσο αριθμό φωτονίου μ T −1 στην πλευρά του Bob αντί για το μοναδικό βοηθητικό φωτονίο 25 , 26 Ο ( Τ 2 ) Ο ( Τ ) . Στο πείραμα, τα εμπλεκόμενα ζεύγη φωτονίων προετοιμάζονται από το SPDC με την πιθανότητα δημιουργίας ζεύγους φωτονίων γ . Σε αυτόν τον μέσο αριθμό φωτονίων, η συνθήκη για την καταστολή των τυχαίων συμβάντων σύμπτωσης που προκαλούνται από την εκπομπή πολλαπλών φωτονίων είναι 1  ≫  μ  ≫  γ 25 , 27 . Πειραματική ρύθμιση Η πειραματική ρύθμιση φαίνεται στο Σχ. 2 . Στο πλάι της Αλίκης, ένα ζεύγος φλεγμονών στο στα 1560 nm δημιουργείται από το SPDC. Γι 'αυτό, ένας περιοδικός πολωμένος κυματοδηγός λιθίου νιοβικού (PPLN / W) (NTT Electronics) τοποθετείται στο συμβολόμετρο Sagnac με PBS 34 και 7-mW cw φως στα 780 nm με μια διαγώνια πόλωση εγχέεται ως φως αντλίας. Το φως της αντλίας αφαιρείται από τα φωτόνια SPDC με διχρωμικό καθρέφτη (DM1). Σε έναν διαχωριστή μισής δέσμης (HBS A ), τα φωτόνια SPDC χωρίζονται σε δύο διαφορετικές χωρικές διαδρομές P1 και P2 με πιθανότητα 1/2 και το ζεύγος εμπλεγμένων φωτονίων στο ∣ ∣ Φ + ⟩ ∣ ∣ Φ + ⟩ ετοιμάζεται. Καλούμε το φωτόνιο στη διαδρομή P2 ως φωτόνιο Α και το φωτόνιο στη διαδρομή P1 ως φωτόνιο Β. Σημειώνουμε ότι υπάρχουν περιπτώσεις όπου το ζεύγος φωτονίων SPDC ακολουθεί την ίδια διαδρομή P1 ή P2, αλλά αυτά τα συμβάντα αφαιρούνται με μετρήσεις σύμπτωσης που περιγράφονται αργότερα.>>>>>>>>>Εικ. 2: Η πειραματική ρύθμιση για το πρωτόκολλο DFS

Στην πηγή ζεύγους φωτονίων της Alice, το φως αντλίας cw στα 780 nm για SPDC προετοιμάζεται με τη δεύτερη-αρμονική παραγωγή φωτός στα 1560 nm από ένα λέιζερ εξωτερικής κοιλότητας με πλάτος 1,8 kHz. Στην βοηθητική πηγή φωτονίου του Bob, το παλμικό φως στα 781 nm φιλτράρεται με ολογραφική διαβάθμιση όγκου (VHG1) με εύρος ζώνης 0,3 nm και το παλμικό φως και το φως αντλίας cw στα 1563 nm συνδυάζονται από το DM2 και συνδέονται σε PPLN / Δ. Στο στάδιο συλλογής δεδομένων από το TDC, ο ρυθμός επανάληψης του ηλεκτρικού σήματος από το παλμικό λέιζερ Ti: S διαιρείται σε 800 kHz για τη μείωση της ποσότητας δεδομένων για την αποφυγή υπερχείλισης δεδομένων.