Solicitud
La capacidad de generar altas tasas de pares de fotones entrelazados es un requisito fundamental para los sistemas de distribución de claves cuánticas µm (QKD) y procesamiento de información cuántica µm (QIP). La QKD ofrece perspectivas para una sociedad segura, incluyendo la protección de infraestructuras críticas y datos valiosos, mientras que el QIP abre el camino hacia la computación cuántica µm universal con tolerancia a fallos, que permite un descubrimiento de fármacos más rápido y la optimización de sistemas complejos.
Objetivos clave
- Desarrollar guías de ondas de niobato de litio µm (PPLN) polarizadas periódicamente para una generación de pares de fotones altamente eficiente.
- Diseñar un sistema óptico capaz de generar fotones entrelazados a alta velocidad combinando las capacidades de alta eficiencia de la guía de ondas con una fuente p µm p de alta potencia.
- Demostrar una alta tasa de generación (>1 GHz, según el requisito de mercado definido por la Agencia Espacial Europea) de fotones enredados en polarización en longitudes de onda de telecomunicaciones (1560 nm).
- Proporcionar una ruta de comercialización tanto para los cristales de guía de ondas habilitadores como para la fuente de fotones entrelazados integrada.
Éxito del proyecto
Se han desarrollado guías de onda PPLN que ofrecen una generación de segundo armónico (SHG) y una conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) de alta eficiencia. Estas guías de onda se han optimizado para el funcionamiento monomodo en la longitud de onda fundamental de 1560 nm, con un MFD perfectamente adaptado al cable de conexión de fibra estándar (PM1550), lo que permite una alta eficiencia de acoplamiento para la integración de la fibra [1] .
Se ha diseñado y construido un demostrador de banco óptico utilizando guías de onda PPLN. El sistema consta de tres etapas:
- Etapa 1, fuente p µm p de SPDC: Fuente de 780 nm basada en la SHG de un láser de telecomunicaciones amplificado (1560 nm). Una guía de onda PPLN proporciona una SHG de alta eficiencia.
- Etapa 2, Generación de pares de fotones: Una guía de onda PPLN genera pares de fotones a 1560 nm mediante SPDC. El entrelazamiento de polarización se logra colocando la guía de onda SPDC en un interferómetro Sagnac.
- Etapa 3, detección de pares de fotones: los fotones de señal y los fotones inactivos se separan en dos caminos, se analizan individualmente mediante óptica de polarización y se miden conctode fotones únicos de nanocables superconductores (SNSPD) para el conteo de fotones únicos correlacionado en el tiempo (TCSPC).
La medición del parámetro CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt) (2 < S = 2,73 < 2,83) demuestra el entrelazamiento de fotones; un valor de CHSH S > 2 es prueba de entrelazamiento. La medición de la tasa de generación de pares, en el régimen de baja ganancia, demuestra una tasa máxima de generación de pares en µm de 1,48 GHz con una media de 0,1 fotón n µm ber. Estas mediciones del rendimiento de la fuente de demostración pueden traducirse en parámetros de distribución de claves cuánticas en µm (QKD). Para el caso de un protocolo BB84 con fotones individuales anunciados, la tasa máxima de clave secreta µm que se podría obtener con esta fuente se calcula en 0,633 Gbps para una fidelidad de discriminación de polarización del 98 %.
El rendimiento del sistema demostrador se µm en la Tabla 1 y se puede encontrar información más detallada en [2].
Tasa de generación de pares
Explotación
La guía de onda SHG/SPDC, que opera a 1560/780 nm, ya se ha comercializado. Covesion la ofrece en un encapsulado acoplado a fibra con fibra PM1550 o PM850 en la entrada y la salida, lo que la hace ideal para conversiones SHG y/o SPDC.
Se planean más trabajos para desarrollar la fuente entrelazada de modo que sea apta para su fabricación y comercialización. Este trabajo incluye la miniaturización de la fuente, la integración de la fuente láser p µm p, el uso de una geometría completamente fibrizada que incluye módulos de guía de ondas acoplados a fibra y una reducción general de SWaP-c.
En general, el proyecto ha demostrado con éxito una fuente de fotones entrelazados por polarización que opera a una velocidad de generación >1 GHz. Esto proporciona una ruta para la implementación práctica de una fuente de fotones adecuada para los requisitos del mercado de QKD y redes cuánticas de µm .
Referencias
- Lewis G. Carpenter, Sam A. Berry, Rex HS Bannerman, Alan C. Gray y Corin BE Gawith, "Guías de ondas de cresta de MgO:PPLN infundidas con ZnO", Opt. Express 27, 24538-24544 (2019)
- B. Ndagano et al., "Una fuente de fotones entrelazados en polarización a una velocidad de gigahercios utilizando guías de ondas PPLN tipo 0", Conferencia sobre láseres y electroóptica (CLEO) de 2024, Charlotte, Carolina del Norte, EE. UU., 2024, págs. 1-2.
