Anwendung
Die Fähigkeit, hohe Raten verschränkter Photonenpaare zu erzeugen, ist eine entscheidende Voraussetzung für Quanten- µm -Schlüsselverteilungs- (QKD) und Quanten- µm -Informationsverarbeitungssysteme (QIP). QKD eröffnet Perspektiven für eine sichere Gesellschaft, einschließlich des Schutzes kritischer Infrastrukturen und wertvoller Daten, während QIP den Weg zu fehlertolerantem universellem Quanten- µm -Computing ebnet und so eine schnellere Wirkstoffforschung und die Optimierung komplexer Systeme ermöglicht.
Hauptziele
- Entwicklung periodisch gepolter µm Wellenleiter (PPLN) für die hocheffiziente Erzeugung von Photonenpaaren.
- Entwerfen Sie ein optisches System, das zur Erzeugung verschränkter Photonen mit hoher Rate fähig ist, indem Sie die hohe Effizienz des Wellenleiters mit einer Hochleistungs- µm -p-Quelle kombinieren.
- Eine hohe Erzeugungsrate (>1 GHz, gemäß der von der Europäischen Weltraumorganisation definierten Marktanforderung) von polarisationsverschränkten Photonen bei Telekommunikationswellenlängen (1560 nm) nachweisen.
- Schaffen Sie einen Marktzugang sowohl für die zugrundeliegenden Wellenleiterkristalle als auch für die integrierte Quelle verschränkter Photonen.
Projekterfolg
Es wurden PPLN-Wellenleiter entwickelt, die eine hocheffiziente Frequenzverdopplung (SHG) und spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC) ermöglichen. Die Wellenleiter wurden für den Einmodenbetrieb bei der Grundwellenlänge von 1560 nm optimiert und weisen einen MFD auf, der optimal auf Standard-Glasfaser-Patchkabel (PM1550) abgestimmt ist. Dies ermöglicht eine hohe Kopplungseffizienz für die Glasfaserintegration [1] .
Ein optischer Bankdemonstrator wurde unter Verwendung von PPLN-Wellenleitern entworfen und gebaut. Das System besteht aus drei Stufen;
- Stufe 1, SPDC p µm p-Quelle: 780-nm-Quelle basierend auf der Frequenzverdopplung (SHG) eines verstärkten (1560 nm) Telekommunikationslasers. Die hocheffiziente SHG wird durch einen PPLN-Wellenleiter realisiert.
- Stufe 2, Photonenpaarerzeugung: Ein PPLN-Wellenleiter erzeugt mittels SPDC Photonenpaare bei 1560 nm. Polarisationsverschränkung wird durch Platzierung des SPDC-Wellenleiters in einem Sagnac-Interferometer erreicht.
- Stufe 3, Photonenpaardetektion: Die Signal- und Idler-Photonen werden in zwei Pfade getrennt, einzeln mit Hilfe von Polarisationsoptiken analysiert und mit supraleitenden Nanodraht-cto(SNSPDs) für die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC) gemessen.
Die Messung des CHSH-Parameters (Clauser-Horne-Shimony-Holt) (2 < S = 2,73 < 2,83) belegt die Photonenverschränkung; ein CHSH-Wert S > 2 ist ein eindeutiger Beweis für Verschränkung. Die Messung der Paarerzeugungsrate im Niedrigverstärkungsbereich zeigt eine maximale Paarerzeugungsrate von 1,48 µm bei einer mittleren Photonendichte n = 0,1 µm /Br. Diese Messungen der Leistungsfähigkeit der Demonstrationsquelle lassen sich in quantitative µm Schlüsselverteilungsparameter (QKD) umrechnen. Für das BB84-Protokoll mit angekündigten Einzelphotonen ergibt sich mit dieser Quelle eine maximale µm Schlüsselrate von 0,633 Gbit/s bei einer Polarisationsdiskriminierungsgenauigkeit von 98 %.
Die Leistung des Demonstratorsystems ist in Tabelle 1 in µm angegeben; detailliertere Informationen finden sich in [Referenz einfügen] [2].
Paarbildungsrate
Ausbeutung
Der SHG/SPDC-Wellenleiter, der bei 1560/780 nm arbeitet, ist als kommerzielles Produkt erhältlich. Covesion bietet den Wellenleiter in einem fasergekoppelten Gehäuse mit PM1550- oder PM850-Fasern am Ein- und Ausgang an, wodurch sich das Gehäuse für SHG- und/oder SPDC-Wandlungen eignet.
Weitere Arbeiten sind geplant, um die verschränkte Quelle so weiterzuentwickeln, dass sie für die Fertigung und Vermarktung als kommerzielles Produkt geeignet ist. Diese Arbeiten umfassen die Miniaturisierung der Quelle, die Integration der µm p-Laserquelle, die Verwendung einer vollständig fasergekoppelten Geometrie einschließlich fasergekoppelter Wellenleitermodule und eine allgemeine Reduzierung von Größe, Gewicht, Leistungsaufnahme und Kapazität (SWaP-c).
Insgesamt hat das Projekt erfolgreich eine Quelle polarisationsverschränkter Photonen demonstriert, die mit einer Erzeugungsrate von über 1 GHz arbeitet. Damit wird ein Weg zur praktischen Implementierung einer Photonenquelle aufgezeigt, die für die Anforderungen des QKD- und µm Netzwerkmarktes geeignet ist.
Referenzen
- Lewis G. Carpenter, Sam A. Berry, Rex HS Bannerman, Alan C. Gray und Corin BE Gawith, „ZnO-indiffundierte MgO:PPLN-Rillenwellenleiter“, Opt. Express 27, 24538-24544 (2019)
- B. Ndagano et al., „Eine Gigahertz-Rate-Quelle polarisationsverschränkter Photonen unter Verwendung von PPLN-Wellenleitern vom Typ 0“, Konferenz über Laser und Elektrooptik (CLEO), Charlotte, NC, USA, 2024, S. 1-2.
