[论文解读] Temporal-mode-selective optical Ramsey interferometry via cascaded frequency conversion

Dileep V. Reddy, Michael G. Raymer|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本论文通过在非线性波导中实现级联频率转换，展示了时间模式选择性光学拉比干涉，利用精心设计的泵浦脉冲相干耦合两阶段量子频率转换，实现了更高的模式选择性与高转换效率。该方法克服了单级系统中固有的选择性与效率之间的权衡，为基于时间模式的量子信息处理提供了实用的量子脉冲门。

ABSTRACT

Temporal modes (TM) are a new basis for storage and retrieval of quantum information in states of light. The full TM manipulation toolkit requires a practical quantum pulse gate (QPG), which is a device that unitarily maps any given TM component of the optical input field onto a different, easily separable subspace or degree of freedom. An ideal QPG must "separate" the selected TM component with unit efficiency, whilst avoiding crosstalk from orthogonal TMs. All attempts at implementing QPGs in pulsed-pump traveling-wave systems have been unable to satisfy both conditions simultaneously. This is due to a known selectivity limit in processes that rely on spatio-temporally local, nonlinear interactions between pulsed modes traveling at independent group velocities. This limit is a consequence of time ordering in the quantum dynamical evolution, which is predicted to be overcome by coherently cascading multiple stages of low-efficiency, but highly TM-discriminatory QPGs. Multi-stage interferometric quantum frequency conversion in nonlinear waveguides was first proposed for precisely this purpose. TM-nonselective cascaded frequency conversion, also called optical Ramsey interferometry, has recently been demonstrated with continuous-wave (CW) fields. Here, we present the first experimental demonstration of TM-selective optical Ramsey interferometry and show a significant enhancement in TM selectivity over single-stage schemes.

研究动机与目标

• 克服单级量子频率转换器件中固有的时间模式选择性与转换效率之间的根本权衡。
• 在非线性波导中利用形状定制的泵浦脉冲和弱相干信号，实现两阶段光学拉比干涉仪。
• 展示一种实用的量子脉冲门（QPG），可选择性地将特定时间模式映射到不同的频带，同时最小化串扰。
• 通过实验观测信号脉冲失真，验证关于脉冲非线性相互作用中时间排序效应的理论预测。
• 通过解锁光子系统中时间模式编码的全部潜力，实现可扩展的量子信息处理。

提出的方法

• 在单个非线性波导中利用级联三波混频实现两阶段量子频率转换过程。
• 采用形状定制的强激光泵浦脉冲实现时间模式选择性相互作用，泵浦脉冲包络设计为匹配相互作用的施密特模式。
• 构建迈克尔逊干涉仪结构，使信号场和辅助场两次通过非线性介质，增强有效相互作用强度。
• 使用4f脉冲整形器配合仅相位型空间光调制器，精确控制泵浦脉冲和信号脉冲的振幅与相位。
• 利用分束镜和带通/陷波滤波器在不同波长下分离与组合p、s和r频带场。
• 采用伺服控制的光闸和精密线性位移台稳定干涉仪，并实现泵浦与信号路径的受控切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非线性波导中实现级联频率转换，是否能在保持高转换效率的同时实现高时间模式选择性？
• RQ2 在脉冲非线性光学系统中，量子演化算符中的时间排序修正如何影响模式分辨？
• RQ3 泵浦脉冲整形在多大程度上可使量子频率转换的选择性超越单级系统的极限？
• RQ4 通过拉比干涉仪结构使介质实现双次通过，是否能缓解选择性与效率之间的权衡？
• RQ5 观测到的信号脉冲失真是否可归因于相互作用哈密顿量中的时间排序效应？

主要发现

• 与单级实现相比，两阶段光学拉比干涉仪显著提升了时间模式选择性，即使未对信号脉冲形状进行优化亦然。
• 系统在每阶段实现了约50%的转换效率，总泵浦功率为470 mW/泵，重复频率80 MHz，此性能在相同条件下单级系统无法实现。
• 实验观测到信号脉冲失真，并归因于量子演化中的时间排序效应，与理论预测一致。
• 信号脉冲时间偏移的方向取决于信号场与辅助场之间的群速度差异，而非泵浦与信号之间的群速度差。
• 通过调节干涉仪中的相位，该装置可作为频率转换开关，选择性地作用于某一时间模式，而对其他模式基本忽略。
• 结果证实了理论预测：级联低效率但高判别力的QFC阶段，可突破单级非线性相互作用的选择性极限。