docGenerace a manipulace s polarizacne kvantove provázanými
download 
Stížnost Transkript
Generace a manipulace s polarizacne kvantove provázanými
Generace a manipulace s polarizačně kvantově provázanými páry fotonů Karel Lemr Antonı́n Černoch Jan Soubusta Společná laboratoř optiky UP Olomouc a FzÚ AVČR Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 1 / 32 Obsah Lemr, Černoch, Soubusta 1 Kvantově provázaný stav fotonů 2 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů 3 Interference fotonových párů na děliči 4 Interference fotonů v MZ interferometru 5 Náš výzkum Kvantově provázané fotonové páry 2 / 32 Kvantově provázaný stav fotonů Obsah Lemr, Černoch, Soubusta 1 Kvantově provázaný stav fotonů 2 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů 3 Interference fotonových párů na děliči 4 Interference fotonů v MZ interferometru 5 Náš výzkum Kvantově provázané fotonové páry 3 / 32 Kvantově provázaný stav fotonů Kvantový stav jednoho fotonu V kvantové fyzice popisujeme různé objekty (částice) pomocı́ tzv. kvantových stavů: Matematický zápis horizontálně polarizovaný foton |Hi vertikálně polarizovaný foton |Vi Může-li být částice ve dvou různých stavech, pak může být také v libobovné superpozici (lineárnı́ kombinaci) těchto stavů. diagonálnı́ lineárnı́ polarizace |Di = √1 (|Hi 2 + |Vi) levotočivá kruhová polarizace |Li = √1 (|Hi 2 − i|Vi) Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 4 / 32 Kvantově provázaný stav fotonů Kvantový stav páru fotonů Stav dvojice fotonů zapisujeme obdobně: dva horizontálně polarizované fotony |H1 H2 i prvnı́ horizontálně a druhý vertikálně polarizovaný foton |H1 V2 i O výše uvedených stavech řı́káme, že jsou separabilnı́: lze je vždy rozdělit na stav prvnı́ho a stav druhého fotonu zvlášt’. Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 5 / 32 Kvantově provázaný stav fotonů Kvantově provázaný (entanglovaný) stav I u stavu dvojice fotonů platı́ pravidlo o superpozici: Separabilnı́ stavy prvnı́ horizontálně a druhý vertikálně polarizovaný foton |H1 V2 i prvnı́ vertikálně a druhý horizontálně polarizovaný foton |V1 H2 i Superpozicı́ dvou separabilnı́ch stavů vzniká stav entanglovaný: Entanglovaný stav |Ψ− i = √1 (|H1 V2 i − 2 |V1 H2 i) Nelze rozseparovat na stav prvnı́ho a druhého fotonu. Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 6 / 32 Kvantově provázaný stav fotonů Entanglement vs. klasické korelace Kvantová provázanost je silnějšı́ než jakákoliv klasická korelace. Klasická korelace zdroj fotonů, který nahodile generuje páry fotonů s obrácenými polarizacemi H V H V nahodile střı́dá: H1 V2 a V1 H2 Entanglovaný stav |Ψ− i = WE COME IN PEACE √1 (|H1 V2 i − 2 |V1 H2 i) Co se stane, provedeme-li měřenı́ polarizacı́ fotonů? Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 7 / 32 Kvantově provázaný stav fotonů Entanglement vs. klasické korelace polarizační dělič polarizátor zdroj vybere volitelně H, V, D, A umožňuje nastavit báze H,V a D, A Měřenı́: detekce za PBS podmı́něná detekcı́ ve druhém rameni Výsledek měřenı́: Polarizátor H V D D A Báze PBS + + + x x Lemr, Černoch, Soubusta Klasická korelace 100% V, 0% H 0% V, 100% H 50% V, 50% H 50% D, 50% A 50% D, 50% A Kvantově provázané fotonové páry Entanglovaný stav 100% V, 0% H 0% V, 100% H 50% V, 50% H 0% D, 100% A 100% A, 0% A 8 / 32 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů Obsah Lemr, Černoch, Soubusta 1 Kvantově provázaný stav fotonů 2 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů 3 Interference fotonových párů na děliči 4 Interference fotonů v MZ interferometru 5 Náš výzkum Kvantově provázané fotonové páry 9 / 32 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů Různé zdroje existuje vı́ce různých zdrojů kvantově provázaných párů fotonů většinou se použı́vá proces sestupné parametrické frekvenčnı́ konverze (downkonverze) z jednoho čerpacı́ho fotonu (modrý) se v nelineárnı́m médiu vytvořı́ pár fotonů s polovičnı́ frekvencı́ (červené) Časté zdroje založené na downkonverzi parametrický proces typu II (e → eo), např. H → HV postselekčnı́ entanglement po smı́chánı́ dvou fotonů na děliči Kwiatův zdroj (naše volba) Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 10 / 32 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů Kwiatův zdroj - naše volba H HWP QWP V dvojice nelin. krystalů kolmo vzájemě orientovaných v obou krystalech probı́há typ I (e → oo): v prvnı́m krystalu H → VV, ve druhém V → HH nerozlišitelnost, ve kterém krystalu fotony vznikly výsledkem je stav |Ψi = sin α|H1 H2 i + eiφ cos α|V1 V2 i Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 11 / 32 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů Kwiatův zdroj - naše volba H HWP QWP V široká škála připravitelných stavů: |Ψi = sin α|H1 H2 i + eiφ cos α|V1 V2 i α lze kontrolovat rotacı́ HWP v čerpánı́ (měnı́ se poměr intenzity generace v krystalech) φ lze kontrolovat náklonem QWP v čerpánı́ (měnı́ se fáze mezi H a V polarizacı́ čerpacı́ho svazku) připravı́me všechny čisté dvoufotonové stavy Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 12 / 32 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů Určenı́ generovaného stavu APD QWP HWP APD 1 PBS QWP 2 PBS HWP APD APD Provádı́me polarizačnı́ analýzu : měřı́me koincidence (současné detekce) mezi rameny měřı́me na každé straně v bazı́ch +, x, o měřı́me přes všechny kombinace ++, +x, +o, x+, xx, ... Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 13 / 32 Interference fotonových párů na děliči Obsah Lemr, Černoch, Soubusta 1 Kvantově provázaný stav fotonů 2 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů 3 Interference fotonových párů na děliči 4 Interference fotonů v MZ interferometru 5 Náš výzkum Kvantově provázané fotonové páry 14 / 32 Interference fotonových párů na děliči Experimentálnı́ uspořádánı́ 1 MT APD cc logic BS APD 2 na každý vstupnı́ port děliče přicházı́ jeden foton vyvážený dělič, pravděpodobnost průchodu a odrazu fotonů jsou stejné měřı́me koincidence (současné detekce obou detektorů za jednotku času) v závislosti na rozposunu trajektoriı́ Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 15 / 32 Interference fotonových párů na děliči Interference identické stavy, ale opačná znaménka zanikne interferencí koherentnı́ superpozice 4 možnostı́ destruktivnı́ interferencı́ zaniká možnost, že fotony půjdou každý jinou cestou koincidence vymizı́, když se vlnové balı́ky fotonů zcela překryjı́ Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 16 / 32 Interference fotonových párů na děliči Výsledek měřenı́ ....... ....... . . . .. .. Coincidences (per 30 s) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Relative position of MT [µm] pozorujeme tzv. Hongův-Ouův-Mangelův dip poprvé pozorovali Hong, Ou a Mandel (Phys. Rev. Lett. 58, 2044, 1987) Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 17 / 32 Interference fotonových párů na děliči Vlastnosti Zajı́mavé (ale očekávané) vlastnosti: rozlišitelné fotony (např. v polarizaci) dip nerealizujı́ fotony se shlukujı́ - bosonové chovánı́ existujı́ speciálnı́ entanglované stavy, které realizujı́ antidip (pár fotonů má fermionové chovánı́, antishukujı́ se) Coincidences (20 s) 12000 10000 8000 6000 .. .... .... . . ..................... .................. 4000 2000 0 10600 10620 10640 10660 10680 Position [µm] (delay) Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 18 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Obsah Lemr, Černoch, Soubusta 1 Kvantově provázaný stav fotonů 2 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů 3 Interference fotonových párů na děliči 4 Interference fotonů v MZ interferometru 5 Náš výzkum Kvantově provázané fotonové páry 19 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Machův-Zehnderův interferometr 1 piezo MT APD BS electro BS APD 2 Lemr, Černoch, Soubusta MT Kvantově provázané fotonové páry 20 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Jednotlivé fotony v MZ interferometru 1 piezo MT APD BS counter BS APD MT fotony pustı́me pouze jednı́m portem interferuje foton sám se sebou , vždy pouze jeden foton v MZ interferometru Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 21 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Jednotlivé fotony v MZ interferometru 200000 Singles (per 1.00s) 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 ....... . . ...... .. ... .......... ...... .... ... . . ... .. ... . . . . ..... ......... ......... 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Voltage [V] fotony se přelévajı́ mezi výstupy, jak se měnı́ fáze mezi rameny MZ interferometru (napětı́ na piezo) pozorujeme interferenčnı́ proužky v počtu detekcı́ za čas Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 22 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Páry fotonů v MZ interferometru 1 piezo MT APD BS cc logic BS APD 2 MT sledujeme koincidence mezi rameny fotony se shlukujı́ na prvnı́m děliči a šı́řı́ se spolu chovánı́ na druhém děliči závisı́ na fázi mezi rameny MZ Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 23 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Páry fotonů v MZ interferometru 1 piezo MT APD BS BS detekujeme koincidenci cc logic APD 2 MT Fáze v MZ = 0 fotony se na druhém děliči antishlukujı́ MZ se chová jako dělič 0:100 Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 24 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Páry fotonů v MZ interferometru 1 MT piezo pi/2 APD BS BS edetekujeme koincidenci cc logic APD 2 MT Fáze v MZ = π/2 fotony zůstávajı́ shluknuté MZ se chová jako dělič 50:50 (HOM interference) Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 25 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Coincidences (per 2.00s) Páry fotonů v MZ interferometru 10000 8000 6000 4000 2000 0 .. .. ...... ..... .. . . .. . . . . . . .. ... . . .. .... . 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Voltage [V] v závisloti na fázi (napětı́ na piezo) pozorujeme proužky v koincidencı́ch polovičnı́ perioda oproti jednotlivým fotonům Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 26 / 32 Interference fotonů v MZ interferometru Singles (per 1.00s) 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 ........ ..... ............ ..... . . ... .. ..... . . .... . ... .. .. .. ............ . . .. .... . 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10000 8000 6000 4000 2000 Coincidences (per 2.00s) Páry fotonů v MZ interferometru 0 10 Voltage [V] páry fotonů se chovajı́ jako foton s polovičnı́ λ fáze aplikovaná na každý foton vede efektivně na dvojnásobnou fázi celého stavu (polovičnı́ perioda proužku) Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 27 / 32 Náš výzkum Obsah Lemr, Černoch, Soubusta 1 Kvantově provázaný stav fotonů 2 Zdroj kvantově provázaných párů fotonů 3 Interference fotonových párů na děliči 4 Interference fotonů v MZ interferometru 5 Náš výzkum Kvantově provázané fotonové páry 28 / 32 Náš výzkum Náš výzkum realizujeme protokoly pro kvantové zpracovánı́ informace připravujeme specifické dvoufotonové kvantové stavy v experimentech kombimnujeme HOM i MZ provádı́me analýzu stavů i procesů Současný experiment: připravujeme KLM stavy |Ψi = α|1100i + β|0110i + α|0011i stavy výhodné pro kvantové zpracovánı́ informace existujı́ teoretické návrhy protokolů využı́vajı́cı́ tyto stavy Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 29 / 32 Náš výzkum Současné experimentálnı́ uspořádánı́ MT piezo single-mode fiber APD APD PBS QWP HWP HWP BBO 4.53° BS1 QWP BS2 QWP single-mode fiber HWP HWP PBS a) source of entangled photon pairs b) KLM state preparation APD APD c) KLM state analysis schéma pro přı́pravu a analýzu KLM stavů Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 30 / 32 Náš výzkum Současné experimentálnı́ uspořádánı́ schéma pro přı́pravu a analýzu KLM stavů Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 31 / 32 Závěr Děkuji za pozornost. Investice do rozvoje vzdělávánı́. Reg. č. CZ.1.07/2.3.00/09.0042 a CZ.1.07/2.4.00/17.014 Tato prezentace je spolufinancována evropským sociálnı́m fondem a státnı́m rozpočtem České republiky. Lemr, Černoch, Soubusta Kvantově provázané fotonové páry 32 / 32
