СПОСОБ ФИЛЬТРАЦИИ ФОТОНОВ ОТ ОСТАТОЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОГЕРЕНТНОЙ НАКАЧКИ Российский патент 2022 года по МПК G02B5/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области квантовой оптики и квантовой информации, а именно к методам генерации оптических квантовых состояний электромагнитных полей. Изобретение может быть использовано в устройствах квантовых оптических вычислителей и симуляторов. Также изобретение может быть использовано в качестве элемента квантовых коммуникационных сетей, в том числе, в квантовых репитерах.

Уровень техники

Источники фотонов используют в фундаментальных экспериментальных исследованиях и прикладных устройствах, осуществляющих обработку информации на основе квантовых алгоритмов. Квантовые состояния фотонов, которые генерируются такими источниками, являются носителями квантовой информации, которые преобразуют в случае использования в вычислительных квантовых алгоритмах или посылают между удаленными абонентами в случае использования в коммуникационных квантовых алгоритмах.

Из уровня техники известны источники одиночных фотонов на основе квантовых точек (US9619754B2). В таких источниках возбужденная когерентным оптическим излучением квантовая точка излучает одиночный фотон в результате перехода из возбужденного в основное квантовое состояние. При этом центральная длина волны излучаемого фотона равна длине волны, соответствующей разности энергий между возбужденным и основным состоянием квантовой точки. Частотный спектр когерентного излучения, которое возбуждает квантовую точку, должен иметь компоненты с длинами волн равными или мéньшими, чем центральная длина волны перехода. При возбуждении точки часть энергии когерентного излучения поглощается точкой.

Недостатком таких источников фотонов является наличие остаточного излучения когерентной накачки, которое распространяется вместе со сгенерированным в ней фотоном, что делает невозможным непосредственное использование таких источников при реализации квантовых информационных алгоритмов - когерентное излучение вносит шум, ошибки или вовсе выводит из строя квантовое устройство.

Из уровня техники известны источники пар одиночных фотонов, использующие нелинейно-оптические взаимодействия, раскрытые в работе S.Paesani et al., “Near-ideal spontaneous photon source in silicon quantum photonics” // Nature Communications 11, 2505 (2020). В таких источниках интенсивное когерентное излучение поступает в среду с кубической нелинейностью оптического отклика, где она приводит к рождению пар фотонов на длинах волн, лежащих ниже и выше длины волны когерентного излучения. Спектры генерируемых фотонов располагаются вблизи к длине волны когерентного излучения.

Как и в случае с источниками одиночных фотонов на основе квантовых точек, недостатком таких источников фотонов является наличие остаточного излучения когерентной накачки, которое распространяется вместе со сгенерированным в ней фотоном, что делает невозможным непосредственное использование таких источников при реализации квантовых информационных алгоритмов.

Из уровня техники известны способы фильтрации когерентного излучения от сгенерированных фотонов, раскрытые в работе T.Huber et al., “Filter-free single-photon quantum dot resonance fluorescence in an integrated cavity-waveguide device” // Optica, v.7, No 5, p. 380-385 (2020). Способ использует различие в поляризации когерентного излучения, используемого для возбуждения источников фотонов, от поляризации генерируемых фотонов. Когерентное излучение поступает на источник и выходит из него в направлении под углом к направлению, в которое генерируется фотон. Таким образом, способ позволяет отфильтровывать когерентное излучение от генерируемых фотонов даже в случаях, когда спектр длин волн когерентного излучения перекрывается со спектром генерируемых фотонов.

Недостатком такого способа является неполяризованные состояния генерируемых фотонов, тогда как в реализациях квантовых информационных алгоритмов необходимо использовать фотоны с линейной поляризацией. Для получения линейно поляризованных фотонов из неполяризованных можно воспользоваться поляризатором, однако он приводит к потере как минимум половины генерируемых фотонов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ фильтрации когерентного излучения от сгенерированных фотонных сигналов, раскрытый в изобретении “Interferometer filters with compensation structure” US2020/0371287 (2020). Такой способ использует различие длин волн возбуждающего когерентного излучения от длин волн генерируемых фотонов. Для фильтрации центральную длину волны резонанса пропускания двухканального интерферометра настраивают таким образом, чтобы он попадал в центральную длину волны генерируемых фотонов. При этом ширина резонанса интерферометра такова, что его спектральная линия не перекрывается со спектром когерентного излучения и поэтому интерферометр ее не пропускает. В результате на выходе можно получить сгенерированные фотоны без примеси когерентного излучения.

Недостатком такого способа фильтрации является внесение потерь в генерируемые фотонные сигналы, что приводит к снижению эффективности источников фотонов и, следовательно, к снижению эффективности работы квантового устройства, использующего эти источники. С приближением длин волн генерируемых фотонов к спектру накачки потери, вносимые фильтром, повышаются. Недостатком способа также является невозможность его использования в случаях, когда частотный спектр возбуждающего когерентного излучения перекрывается - как частично, так и полностью - со спектром генерируемых фотонов. Еще одним недостатком метода является необходимость использования отдельного фильтрующего интерферометра для каждого отдельного источника, что усложняет и укрупняет оптические схемы. Кроме того, недостатком является необходимость подстраивать центральную длину волны резонанса каждого интерферометра индивидуально для каждого источника фотонов, что также усложняет калибровку и управление схемой.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, являются высокие потери, вносимые элементами, фильтрующими остаточное когерентное излучение от генерируемых фотонов. Также решаемой технической проблемой является невозможность фильтрации известными способами в случае, когда поляризация, пространственная мода и временной интервал когерентного возбуждающего импульса совпадают с соответствующими параметрами генерируемых фотонов и при этом их спектры длин волн перекрываются. Вместе с тем, данный резонансный режим возбуждения представляется наиболее оптимальным с точки зрения качества квантовых свойств фотонов, получаемых в некоторых широко применяемых источниках, например, на основе квантовых точек. Невозможность выполнения резонансного возбуждения без внесения существенных потерь препятствует повышению эффективности квантовых устройств, использующих источники такого типа, или же вовсе делают невозможным реализацию масштабных квантовых алгоритмов. Еще одной решаемой технической проблемой является сложность оптических схем, состоящих из множества источников фотонов, которая обусловлена необходимостью использования отдельного фильтрующего устройства/элемента для каждого источника. Фильтрующие элементы увеличивают размеры и часто требуют индивидуальной активной подстройки.

Раскрытие изобретения

Технические результатом изобретения является повышение эффективности источников фотонов, использующих для возбуждения когерентное оптическое излучение. Эффективность увеличивается за счет снижения потерь, вносимых традиционными способами фильтрации когерентного излучения. Еще одним техническим результатом изобретения является возможность выполнения фильтрации когерентного излучения от фотонов, генерируемых множеством источников, одним устройством, что упрощает его подстройку. Также техническим результатом изобретения является возможность выполнения фильтрации когерентного излучения при резонансном способе возбуждения источников одиночных фотонов, когда поляризация этого излучения совпадает с поляризацией генерируемых фотонов, а их спектры длин волн перекрываются.

Технический результат достигается способом фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающим подачу на M входов N-канального интерферометра, характеризующегося передаточной матрицей U размером N на N, сгенерированных фотонов от M источников фотонов с остаточными сигналами когерентной накачки, по меньшей мере, от одного источника лазерного излучения, при этом сигналы когерентной накачки от лазерных источников при использовании непрерывного режима формируют с одинаковым частотным спектром и одинаковой поляризацией, а при использовании импульсного режима формируют импульсы когерентной накачки одинаковой формы поляризации с совпадающими центральными частотами их спектра, которые подают на N-канальный интерферометр синхронно; передаточная матрица U выполнена с возможностью фокусировки входных сигналов когерентной накачки, включая остаточные сигналы когерентной накачки от источников фотонов, по меньшей мере, в один выход, и вывода части фотонов от источников фотонов в оставшиеся выходы.

В одном из вариантов реализации способа дополнительно осуществляют подачу, по меньшей мере, на один из оставшихся входов N-канального интерферометра сигнала когерентной накачки, по меньшей мере, от одного источника лазерного излучения, при этом при использовании импульсного режима импульсы когерентной накачки подают на N-канальный интерферометр синхронно, включая остаточные импульсы когерентной накачки от источников фотонов.

Передаточная матрица U выполнена таким образом, что умножение вектора амплитуд сигналов когерентной накачки, поступающих на вход N-канального интерферометра, включая остаточные сигналы накачки от источников фотонов, на передаточную матрицу U дает заданный вектор амплитуд , который содержит ненулевые элементы с индексами, соответствующими каналам, в которые осуществляется фокусировка когерентной накачки, а остальные элементы вектора - нулевые:

Фокусировку сигнала когерентной накачки осуществляют в подмножество выходов, состоящее из K выходов N-канального интерферометра, посредством варьирования элементов сдвигов фаз до достижения максимума мощности, измеряемой в этом подмножестве выходов. В другом варианте осуществления изобретения фокусировку когерентной накачки проводят посредством варьирования параметров делителей, входящий в состав N-канального интерферометра, или варьированием амплитуд когерентных накачек на входе в N-канальный интерферометр.

Возможен вариант осуществления изобретения, согласно которому выходные сигналы от источников фотонов, прошедшие через N-канальный интерферометр и содержащие фотоны от источников фотонов, подвергают преобразованию вторым интерферометром с количеством входов и выходов не менее, чем количество выходов первого интерферометра, содержащих фотоны от источников фотонов.

Способ может быть реализован с помощью системы для фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающей, по меньшей мере, источник лазерного излучения, по меньше мере, один источник фотонов, по меньшей мере, один N-канальный интерферометр, выполненный с возможностью фильтрации полученных сигналов от источников фотонов, прошедших первый интерферометр, от остаточных сигналов когерентной накачки описанным выше способом, и детекторы, установленные на выходах N-канального интерферометра, при этом количество детекторов соответствует количеству выходов K, в которые осуществляют фокусировку когерентной накачки.

Генерация одиночных фотонов в источниках с возбуждением лазерной накачкой связана с необходимостью фильтрации накачки, которая остается после возбуждения. Остаточная когерентная накачка распространяется вместе со сгенерированными фотонами и, в отсутствии фильтрации, работа квантовых устройств, реализующих квантовые методы обработки и передачи информации, невозможна. Для фильтрации остаточной накачки на выходе из источников фотонов вносят частотные или поляризационные фильтры, которые используют отличие частотного спектра или поляризации накачки от спектра или поляризации генерируемых фотонов. Фильтры такого типа не пропускают накачку, однако они вносят потери в сгенерированные фотоны. При этом, чем ближе частоты из спектра фотонов к спектру остаточной накачки, тем сложнее отфильтровать накачку от полезных сигналов фотонов без внесения существенных потерь.

Предлагаемое изобретение не использует традиционный подход с частотными или поляризационными фильтрами. Изобретение использует отличие в преобразовании, выполняемом многоканальным интерферометром, над множеством сигналов в когерентных состояниях накачки и генерируемыми фотонами в фоковских состояниях. Таким образом, в схеме нет необходимости в использовании традиционных фильтров.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема, поясняющая принцип заявляемого изобретения. Фиг. 1а иллюстрирует процесс генерации фотонов с возбуждением когерентной накачкой. На фиг. 1б представлена предложенная схема фильтрации когерентной накачки от сгенерированных фотонных сигналов.

На фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ фильтрации накачки с двумя последовательно соединенными многоканальными интерферометрами.

На фиг. 3 представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ фильтрации накачки с двумя последовательно соединенными многоканальными интерферометрами и одним источником фотонов.

На фиг. 4 представлена схема, иллюстрирующая простейший пример реализации предложенного способа фильтрации когерентной накачки.

На фиг. 5 изображена схема фильтрации когерентной накачки с применением каскада последовательно соединенных интерферометров.

На фиг. 6 представлены диаграммы, иллюстрирующие соотношение между частотами когерентной накачки и частотой(-ами) генерируемых фотонов для разных типов источников.

На фиг. 7 изображена оптическая схема многоканального интерферометра, реализованная в примере конкретной реализации заявляемого изобретения.

На фиг. 8 изображена схема двухканального программируемого блока интерферометра Маха-Цендера, использованная в качестве составного блока 5-канального интерферометра в примере конкретной реализации заявляемого изобретения.

На фиг. 9 изображена схема оптической установки, использованная в примере конкретной реализации заявляемого изобретения.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - источник фотонов,

2 - импульс когерентной накачки,

3 - импульс сгенерированного фотона или фотонов,

4 - импульс остаточной когерентной накачки,

5 - многоканальный интерферометр,

6 - множество источников фотонов,

7 - множество импульсов когерентной накачки,

8 - множество фотонов, сгенерированных источниками, и множество импульсов остаточной когерентной накачки,

9 - множество входов многоканального интерферометра 5,

10 - множество выходов многоканального интерферометра 5,

11 - канал, в который выполняют фокусирование остаточной когерентной накачки,

12 - импульс остаточной когерентной накачки,

13 - множество выходов, в которые выводятся фотоны,

14 - состояние фотонов,

15 - многоканальный интерферометр, следующий за первым многоканальным интерферометром 5,

16 - множество входов интерферометра 15,

17 - множество входов интерферометра 15, на которые поступает состояние фотонов 14, сгенерированное в интерферометре 5,

18 - множество выходов интерферометра 15,

19 - множество каналов, в которое осуществляется вывод фотонов после интерферометра 15,

20 - состояние выведенных фотонов на выходах интерферометра 5, которое поступает на входы в интерферометр 15,

21 - остаточная когерентная накачка на выходе 11 многоканального интерферометра 5 в схеме каскада из нескольких последовательно связанных интерферометров,

22 - выход интерферометра 15, в который осуществляется фокусировка остаточной накачки,

23 - импульс остаточной когерентной накачки, выходящий из выхода 22 интерферометра 15,

24 - двухканальный делитель,

25 - входы делителя 24,

26 - выходы делителя 24,

27 - состояние на выходах делителя 24 в случае двух фотонов на его входе,

28 - состояние на выходах делителя 24 в случае одного фотона на его входе,

29 - частота накачки для источника фотонов на основе нелинейных сред с квадратичной нелинейностью, генерирующего пары фотонов на частотах 30 и 31,

32 и 33 - частоты когерентных накачек в случае источников фотонов на основе нелинейных сред с кубической нелинейностью, генерирующих пары фотонов на частотах 30 и 31,

34 - частота когерентной накачки для источника на основе квантового эмиттера,

35 - частота генерируемых фотонов в случае источника на основе квантового эмиттера,

36 - двухканальный программируемый блок в составе многоканального интерферометра,

37 - когерентные сигналы накачки, подаваемые на входы 5-канального программируемого интерферометра, использованного в конкретной технической реализации изобретения,

38 - сигнал сфокусированной мощности в один выходной канал 5-канального программируемого интерферометра, использованного в конкретной технической реализации изобретения,

39 - статические сбалансированные делители в составе двухканальных программируемых блоков 36,

40 - варьируемые элементы сдвигов фаз в составе двухканальных программируемых блоков 36,

41 - интегрально-оптический элемент направленного делителя, реализующего статический сбалансированный делитель,

42 - варьируемый элемент сдвига фазы,

43 - лазер, генерирующий когерентную накачку,

44 - разветвитель мощности лазерного излучения 43,

45 - источник одиночных фотонов на основе квантовой точки,

46 - программируемый 5-канальный интерферометр,

47 - детектор оптического излучения, способный регистрировать интенсивные когерентные сигналы лазера,

48 - сверхпроводниковые детекторы одиночных фотонов,

49 - компьютер, управляющий преобразованием 5-канального интерферометра,

50 - электрические линии, через которые компьютер 49 управляет интерферометром 46,

51 - электрические линии, через которые сигналы с детекторов одиночных фотонов 48 поступают на компьютер 49,

52 - область сближения 5-ти волноводов в интегрально-оптическом чипе разветвителя мощности,

53 - волновод, через который заводилось излучение от лазера 43.

Осуществление изобретения

Изобретение основано на использовании источников фотонов, возбуждаемых когерентным оптическим излучением.

Для более однозначного понимания сущности заявленного изобретения ниже представлены основные термины и определения, используемые в рамках настоящего описания.

Источником фотонов или просто источником называется элемент или устройство, которое генерирует электромагнитные сигналы, описываемые квантовыми состояниями с одним определенным числом фотонов или суперпозицией конечного числа состояний, каждое из которых имеет определенное число фотонов. В изобретении идет речь об источниках, возбуждаемых когерентным оптическим излучением, которое обычно генерируют лазеры. Источники фотонов имеют два стационарных уровня энергии, описывающие стационарные состояния электронов или дырок. Переход из верхнего (излучающего) состояния в нижнее (основное) сопровождается, в зависимости от типа источника, генерацией одного или одновременно нескольких фотонов. Для возбуждения источника его облучают когерентным излучением, например, от лазера. Когерентное излучение, используемое для возбуждения источников фотонов, может быть импульсным или непрерывным.

В случае резонансного возбуждения центральная длина волны излучения равна центральной длине волны излучаемого фотона, которая соответствует разнице между энергиями излучающего и основного состояний источника. В случае нерезонансного возбуждения центральная длина волны спектра возбуждающего излучения отличается от центральной длины волны спектра излучаемого фотона. При нерезонансном возбуждении может быть использован вспомогательный уровень/уровни, которые имеют бóльшую энергию, чем у излучающего. В таком случае возбуждают вспомогательный уровень, возбужденное состояние с которого впоследствии переходит на излучающий уровень, с которого происходит генерация фотона. Уровни энергии с энергиями выше, чем у основного, могут быть не стационарными, а виртуальными.

Когерентной накачкой или просто накачкой называется когерентное электромагнитное поле, которое используют для возбуждения источника с целью генерации им фотона или фотонов. В изобретении речь идет о накачке, характеризуемой когерентным состоянием. Свойства электромагнитных состояний в когерентном состоянии и в состоянии с определенным числом фотонов отличаются - действие одного и того же преобразователя электромагнитных сигналов на сигналы, приготовленные в двух состояниях, отличается.

В изобретении рассматриваются преобразователи электромагнитных сигналов. Преобразуемые сигналы подаются на входные каналы преобразователя, а преобразованные сигналы выходят из выходных каналов преобразователя. Способ кодирования информации в каналы задается преобразователем. Каждый входной канал преобразователя характеризуется набором значений степеней свободы электромагнитного поля, которыми должны обладать входные сигналы, поступающие на его вход. Два электромагнитных сигнала, отличающиеся тем, что соответствующие наборы степеней свободы отличаются как минимум в одном значении, можно генерировать и измерять независимо друг от друга. Чтобы иметь возможность подавать сигналы на вход преобразователя независимо друг от друга, в наборах значений степеней свободы, соответствующих множеству входных каналов, не должно быть совпадений.

В качестве степеней свободы электромагнитного поля используют пространственные моды, частотные моды, временные моды и поляризационные моды. Два разных канала преобразователя характеризуются двумя разными наборами степеней свободы поля, которые должны отличаться как минимум одним значением. Например, при пространственном кодировании каналов сигналы на входе и выходе преобразователя должны входить/выходить в разные пространственные моды.

Линейным N-канальным преобразованием называют преобразование электромагнитных сигналов, осуществляемое между N каналами, действие которого на когерентные сигналы можно описать линейным законом:

где - число каналов преобразования, - комплексные амплитуды когерентных сигналов, поступающие на вход преобразования, - комплексные амплитуды преобразованных сигналов на выходе преобразования. Здесь индексы и принимают значения от 1 до и обозначают номера канала, к которым относятся амплитуды. В (1) комплексные коэффициенты формируют матрицу размерности , которая и определяет конкретное линейное преобразование. Выражение (1) может быть представлено в матричном виде:

где и - столбцы, составленные из амплитуд сигналов на входе и выходе преобразования, соответственно. Число каналов преобразования характеризует размерность преобразования.

Передаточной матрицей преобразования или просто матрицей преобразования называют матрицу , которая связывает друг с другом столбец амплитуд на выходе преобразования со столбцом на его входе (см. выражение (2)).

N-канальным линейным преобразователем или линейным N-канальным устройством или линейным N-канальным интерферометром или просто интерферометром называют любое устройство, осуществляющее линейное N-канальное преобразование электромагнитных сигналов. N-канальный преобразователь имеет по N входных и выходных каналов.

Многоканальным интерферометром называют N-канальный интерферометр с N>=3.

Под фокусировкой когерентной накачки в настоящем изобретении понимают настройку передаточной матрицы многоканального интерферометра таким образом, что мощность когерентной накачки, поступающая на его входы, выходит из подмножества его выходов. Таким образом, фотоны, выходящие из оставшихся выходов многоканального интерферометра, не содержат примеси когерентных состояний накачки.

На Фиг. 1 представлена схема, поясняющая настоящее изобретение. Фиг. 1а схематично иллюстрирует процесс генерации квантовых состояний фотонов источником фотонов с возбуждением когерентной накачкой. В нем на источник фотонов 1 поступает импульс накачки с временным профилем 2, который возбуждает источник. Возбужденный источник излучает световой импульс с профилем 3, который отличается от когерентной накачки тем, что его квантовое состояние в общем случае представляет собой только одну компоненту с определенным числом фотонов или суперпозицию конечного числа состояний с определенным числом фотонов. Например, в зависимости от типа источника, генерируется либо одиночный фотон , либо же состояние бифотонов . Т.к. на возбуждение источника в общем случае расходуется не вся энергия накачки, после взаимодействия с источником остается когерентный импульс с временным профилем 4.

На Фиг. 1б представлена предложенная схема фильтрации когерентной накачки от сгенерированных фотонных сигналов. В схеме одновременно генерируется несколько фотонов, для чего используют одновременно несколько источников фотонов. Интерферометр 5 используют для преобразования когерентных накачек и сгенерированных сигналов. Множество источников фотонов 6 одновременно возбуждаются когерентными импульсами накачки 7, в результате чего они генерируют сигналы в однофотонных или бифотонных состояниях или других состояниях фотонов, которые отличаются от когерентных (в зависимости от типа источников). Сгенерированные в источниках импульсы вместе с импульсами остаточной накачки поступают на часть входов интерферометра 5. После возбуждения источников остаточные импульсы накачки и синхронные с ними импульсы когерентных сигналов 8 поступают на входы 9 интерферометра 5. Вместе с когерентным излучением на вход интерферометра 5 поступают также и сгенерированные фотоны.

Интерферометр выполняет преобразование импульсов когерентной накачки и сгенерированных фотонных состояний. В качестве конкретного преобразования интерферометра 5 выбирают такое, в результате которого полная мощность когерентной накачки, поступающей на все входные каналы интерферометра, фокусируется в подмножество множества выходных каналов 10. Без ограничения общности описание рабочего принципа настоящего изобретения будем предполагать, что интерферометр 5 фокусирует накачку в один выходной канал. На Фиг. 1б фокусирующим является первый верхний канал 11 с выходящим из него временным профилем накачки 12. По причине принципиальных отличий преобразования, выполняемого одним устройством интерферометра над когерентными входными сигналами и над состояниями генерируемых фотонов, последние не будут полностью фокусироваться в канал 11. Кроме отличия квантовых состояний когерентной накачки и фотонов, накачка может подаваться в каналы, на которые не поступают фотоны от источников. По этим причинам имеется значительная вероятность получения генерируемых фотонных сигналов в выходах 13, в которые накачка не проходит. Т.е., преобразованные сигналы 14, выходящие из каналов 13, не зашумлены когерентной накачкой 12.

На Фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая предлагаемый способ фильтрации накачки, которая дополнена еще одним интерферометром 15. Интерферометр 15 выполняет преобразование отфильтрованных состояний фотонов после интерферометра 5. Интерферометр 15 имеет множество входных каналов 16, на часть которых 17 поступают отфильтрованные сигналы 14. Интерферометр 15 осуществляет преобразование состояния фотонных сигналов 14, в результате которого на его выходах 18 фотонные сигналы преобразуются в вид, который может быть более удобным для дальнейших применений. В частности, фотоны после интерферометра 15 могут быть локализованы только в подмножестве 19 множества выходных каналов 18, которое состоит из меньшего числа каналов, чем изначальное множество каналов 13, состояния с которых выходят после фильтрующего интерферометра 5.

Работоспособность предложенной схемы определяется возможностью фокусировки когерентных сигналов в один или подмножество каналов без остаточного преобразования в каналы 13, которые используют для получения отфильтрованных состояний фотонов. Известно, что для любой конфигурации амплитуд когерентных сигналов на входе в интерферометр всегда можно подобрать передаточную матрицу интерферометра, которая будет выполнять фокусирующее действие. Так, если амплитуды когерентных импульсов накачки на входе в интерферометр характеризуются столбцом комплексных чисел , где - комплексная амплитуда сигнала на входе в интерферометр с индексом , а означает транспонирование, то амплитуды когерентных сигналов на выходе из интерферометра задаются столбцом . Для заданных амплитуд накачки на входе (включающих как остаточные, так и дополнительные импульсы накачки) передаточная матрица интерферометра , выполняющая фокусировку накачки в один выходной канал, например, с индексом , получается решением уравнения:

где столбец имеет только один ненулевой элемент с индексом m. Уравнение (3) всегда имеет решение для передаточной матрицы . Таким образом, многоканальный интерферометр всегда можно настроить на фокусировку когерентных сигналов.

Далее представлено несколько примеров, более детально поясняющих предлагаемый способ. Для одного источника фотонов и N-канального фокусирующего интерферометра рассмотрим случай, когда профили частотных спектров и поляризации входных импульсов накачки совпадают, и они поступают на интерферометр синхронно, и амплитуды всех импульсов накачки одинаковые: (). В данном случае фокусировка всей мощности накачки в один выходной канал возможна, если передаточная матрица интерферометра имеет следующие элементы:

(, ) - это известная матрица, выполняющая дискретное преобразование Фурье (S.A. Fldzhyan, M.Yu. Saygin, S.P. Kulik, “Optimal design of error-tolerant reprogrammable multiport interferometers” Optics Letters v. 45, No 9, p. 2632-2635 (2020)). Используя линейное преобразование , можно рассчитать амплитуду на выходе 1-го канала интерферометра: , тогда как на остальных выходных каналах (), подтверждая тем самым возможность фокусировки накачки. Таким образом, в этом примере, мощность накачки, поступающей на все входные каналы интерферометра с передаточной матрицей , выходит из одного выходного канала.

Распределение сгенерированных фотонов в выходных каналах интерферометра зависит от числа поступающих фотонов (числа источников фотонов) и от их расположения относительно входных каналах интерферометра. В качестве конкретного примера состояний фотонов на выходе интерферометра , фокусирующего всю мощность накачки, рассмотрен случай, когда имеется только один источник фотонов, способный генерировать одиночный фотон. Фиг. 3 иллюстрирует данный пример (изображены только импульсы генерируемых однофотонных состояний). Если входной канал интерферометра, на который поступает фотон, имеет индекс , то состояние на выходе есть суперпозиция:

где - квантовое состояние с одним фотоном в выходном канале с индексом . В состоянии (5) вероятность появления фотона в каждом выходном канале равна , а в вероятность появления фотона в состоянии 20 в оставшихся N-1 каналах (со 2-го по N-й) равна . Т.е., имеется доля вероятности появления однофотонного импульса 21 в выходном канале 11, куда сфокусирована вся мощность накачки, равная . Т.к. компонента 21 не используется для приготовления квантовых состояний фотонов, то случай попадания фотона в этот канал является его потерей, т.к. отфильтрованными от накачки являются состояния в выходных каналах с 2-го по N-й. Таким образом, вероятность прохождения одиночного фотона через фильтрующий интерферометр равна . Квантовое состояние фотона на выходе является смешанным и описывается оператором плотности:

где - состояние с 0 фотонов во всех каналах с индексами от 2 до N, - состояние суперпозиции одного фотона со 2 по N-й выходной каналы. Из вида состояния (6) следует, что в каналах с индексами с 2 по N будет выходить фотон в состоянии с вероятностью ; с вероятностью в этих каналах фотона не будет.

Для того, чтобы фотон в состоянии , распределенном по N-1 каналам (2…N), преобразовать в фотон, выходящий из одного, можно воспользоваться дополнительным преобразованием, которое осуществляет интерферометр 15 с числом каналов N-1. Для этого выбирают передаточную матрицу интерферометра 15 таким образом, что она удовлетворяет уравнению: , где - столбец, составленный из коэффициентов разложения состояния , - столбец, имеющий все элементы нули за исключением одного, индекс которого соответствует каналу, куда должен быть преобразован фотон. На Фиг. 3 фотон сосредоточен в одном выходном канале 22. Таким образом, импульс фотона 3 от источника 1 преобразуется в импульс фотона 23 с вероятностью . Очевидно, что потери фотона в рассматриваемой схеме можно уменьшить (повысить вероятность прохождения фотона ), если увеличивать число каналов интерферометра 5.

При реализации примера, когда на вход фокусирующего интерферометра 5 поступает более 1 фотона, распределение вероятности возможных конфигураций фотонов не равновероятно, как в случае 1 фотона - вероятности конфигураций зависят от индексов входных каналов, на которые эти фотоны поступают. Вероятности реализации разных конфигураций фотонов на выходе из N-канального интерферометра сводятся к расчету амплитуд вероятности состояния на выходных каналах

где обозначает выходное состояние фотонов с распределением по каналам, задаваемым вектором , где - число фотонов в канале с индексом j, вектор обозначает конфигурацию фотонов на входе в интерферометр: . Суммирование в (7) производят по всем возможным конфигурациям фотонов M, распределенным по N модам. Число всех конфигураций дается сочетанием из N по M. Число фотонов на выходе должно быть равно числу фотонов на входе, поэтому . Амплитуды в состоянии рассчитывают по формуле (S.Aaronson, A. Arkhipov, “Computational complexity of linear optics”, arxiv:1011.3245 (2010)):

где - перманент матрицы , которая получена из передаточной матрицы интерферометра отбором строк и столбцов в соответствии с векторами и : строка с индексом j берется число раз (если , то она не берется), столбец с индексом I берется число раз. Также в (8) введены обозначения для факториалов: , . Вероятность реализации конфигурации фотонов, описываемой вектором , при входной конфигурации , дается .

Возможна реализация способа, когда на вход фокусирующего интерферометра с передаточной матрицей поступает 2 фотона, по одному в каналы с индексами и (входное состояние: , т.е. , а остальные ). Множество возможных состояний фотонов на выходных каналах представляет собой все комбинации 2 фотонов, распределенных по N каналам. Расчет вероятностей конфигураций фотонов с помощью формулы (8) приводит к следующим выражениям:

для конфигураций, содержащих фотоны в разных каналах с индексами и (;), и

для конфигураций с 2 фотонами в одном выходном канале с индексом ().

Полагая как в предыдущем примере, что потери фотонов связаны с вероятностью их прохождения в первый выходной канал, в который фокусируется когерентная накачка, можно рассчитать потери в рассматриваемой схеме с двумя фотонами. Используя формулы (9) и (10), вероятность потери одного фотона есть . Вероятность потери сразу двух фотонов .

Простейший случай, при котором работает предлагаемый способ, использует одиночный делитель с пространственными каналами. Фиг. 4 иллюстрирует две схемы с минимально возможным числом источников и каналов, которые используют двухканальный делитель 24. В общем виде передаточная матрица элемента делителя принимает вид:

где угловой параметр описывает его коэффициент прохождения по мощности и коэффициент отражения , а угловой параметр описывает разность фаз между входными каналами. Фиг. 4а поясняет преобразование делителем двух импульсов когерентной накачки 4а и 4б, которые поступают на его входы 25. Если импульсы накачки поступают на делитель синхронно (в одном временном окне), их частотные спектры и поляризации совпадают, то всю их мощность можно сфокусировать в один из двух выходных каналов 26. Используя (3) и обозначая амплитуды когерентных импульсов через и , условие фокусировки в один канал принимает вид: , которое разбивается на два уравнения: и . Решение уравнений всегда существует, если и . В рассматриваемом примере существует два способа выполнения фокусировки накачки. Во-первых, если амплитуды когерентных импульсов заданы и имеется возможность варьировать параметры делителя и , то их можно выбрать таким образом, чтобы удовлетворить условию фокусировки. Во-вторых, если заданы параметры делителя и и имеется возможность управления мощностями и амплитудами накачек, то их можно подобрать таким образом, чтобы удовлетворить условию фокусировки.

Фиг. 4б иллюстрирует преобразование двух одиночных фотонов (3а и 3б), генерируемых двумя источниками (1а и 1б), поступающими на входы 25 делитель 24. Если фотоны неразличимые, т.е. обладают одинаковыми спектрами, поляризацией и синхронно приходят на входы 25, то состояние 27 на выходах 26 можно рассчитать, используя формулы (8) и (11):

В (12) параметры делителя и находят из условия фокусировки импульсов накачки в выходной канал с индексом 1. Квантовое состояние фотонов на выходе канала 2, в котором отсутствует импульс когерентной накачки, является смешанным и задается оператором плотности:

Среднее число фотонов, выходящих из канала с индексом 2, которое описывается состоянием (13), равно 1. Таким образом, в простейшей схеме, изображенной на Фиг. 4б, при фильтрации остаточной когерентной накачки теряется половина фотонов.

Фиг. 4в иллюстрирует случай, когда на входы 25 делителя 24 подается один фотон 3а от одного источника 1а. Состояние 28 на выходах делителя 24 имеет следующий вид:

Вероятность обнаружить фотон в выходе с индексом 2 составляет , таким образом, потери в случае, изображенном на Фиг. 4в, составляют .

Предложенный способ фильтрации когерентной накачки может быть реализован с применением каскада последовательно соединенных интерферометров, как изображено на Фиг. 5. В таких схемах следующий первым программируемый интерферометр 5а осуществляет фокусировку когерентной накачки 4, поступающей на его входы, в выход 11а. Оставшаяся неотфильтрованная накачка, выходящая из остальных выходов интерферометра 5а, вместе с состоянием фотонов 14а поступает на входы следующего интерферометра 5б. При этом соответствующие входы интерферометра 5б соединены с выходами интерферометра 5а. Интерферометр 5б осуществляет дополнительную фильтрацию когерентной накачки, которую он фокусирует в выход 11б. На каждом интерферометре происходит фильтрация накачки, которая не поступает на входы следующих интерферометров - сигналы отфильтрованной накачки 12а, 12б и 12в на Фиг. 5. Схема может включать столько интерферометров, сколько необходимо для приемлемого уровня фильтрации накачки, т.е. уровень мощности когерентной накачки, выходящий из последнего интерферометра 5в, должен быть намного меньше мощности фотонов в состоянии 14в. Каскадные схемы, состоящие из нескольких фильтрующих интерферометров, могут давать лучший уровень фильтрации когерентной накачки по сравнению со схемами, содержащими один интерферометр 5. Например, в случае, когда один интерферометр не позволяет осуществить высокий уровень фильтрации в силу ограничений дизайна интерферометра и/или точности выставления его параметров.

Существует несколько типов источников фотонов, в которых можно использовать предлагаемое изобретение. На Фиг. 6 представлены диаграммы, иллюстрирующие соотношение между частотами когерентной накачки и частотой(-ами) генерируемых фотонов для разных типов источников. Диаграмма, изображенная на Фиг. 6а, соответствует источникам пар фотонов, основанных, например, на эффекте спонтанного параметрического рассеяния (СПР). Процесс СПР протекает в среде с квадратичной оптической нелинейностью. В таких источниках фотоны из интенсивной когерентной накачки с центральной частотой 29 распадаются на пары с центральными частотами 30 и 31. При этом справедливо соотношение: , где - центральная частота накачки, а и - центральные частоты генерируемых фотонов. В зависимости от частотной дисперсии в среде, в которой реализуют процесс СПР, которая зависит от центральных частот, поляризации и пространственных мод, источники могут генерировать фотоны, как с отличающимися частотами, так и с совпадающими частотами. При этом поляризации и/или пространственные моды генерируемых фотонов могут отличаться или совпадать.

На фиг. 6б изображена диаграмма, иллюстрирующая соотношение центральных частот для источников пар фотонов с двумя накачками с центральными частотами 32 и 33. Частоты накачек и и частоты генерируемых фотонов и удовлетворяют следующему соотношению: . Для реализации источника такого типа необходимо среда с кубической нелинейностью. В общем случае, частоты и поляризации всех волн накачек и генерируемых фотонов могут, как совпадать, так и отличаться.

На фиг. 6в изображена диаграмма, иллюстрирующая соотношение центральной частоты накачки 34 и генерируемого фотона 35 для источников одиночных фотонов на основе квантовых эмиттеров, например, на основе квантовых точек. Источники такого типа могут генерировать не более одного фотона за раз. Диаграмма иллюстрирует резонансный способ возбуждения источника, при котором центральная частота генерируемых фотонов совпадает с центральной частотой когерентной накачки: . На Фиг. 6г изображена диаграмма, соответствующая нерезонансному возбуждению источника одиночных фотонов. В таком случае .

Программируемые интерферометры 5, используемые в изобретении для фильтрации когерентной накачки, могут иметь разные архитектуры. Известен универсальный способ осуществления многоканальных программируемых интерферометров с помощью объединения друг с другом двухканальных преобразований, предложенный в работах М. Рэка с соавторами, «Экспериментальная реализация любого дискретного унитарного оператора» // Phys. Rev. Lett. Т. 73, № 1, С. 58 (1994) и В.Р. Клеменса с соавторами, «Оптимальный дизайн универсальных многопортовых интерферометров» // Optica, Т. 3, № 12, С. 1460 (2016). Этот способ позволяет конструировать произвольные линейные преобразования, соединяя друг с другом двухканальные преобразования и надлежащим выбором параметров этих двухканальных преобразований. Суть способа заключается в соединении друг за другом множества слоев преобразований, каждый из которых содержит множество двухканальных блоков, действующих независимо друг от друга. Каждым из двухканальных блоков в составе большого многоканального интерферометра можно управлять, выставляя значения сдвигов фаз на элементах. Каждый из блоков содержит по 2 элемента варьируемых сдвигов фаз. В случае, когда число каналов в интерферометре равно , общее число двухканальных блоков в универсальных схемах, упомянутых выше, равно . Кроме этого, схемы универсальных интерферометров содержат независимые фазовых сдвигов, располагаемые сразу после входов или перед выходами в интерферометр. Таким образом, общее число элементов фазовых сдвигов в универсальных интерферометрах должно быть не меньше .

Для фильтрации когерентной накачки можно использовать не универсальные программируемые интерферометры. Пример программируемого 5-канального интерферометра, который способен фильтровать когерентную накачку, изображен на Фиг. 7. Интерферометр состоит из 8-ми двухканальных блоков 36. На Фиг. 7 проиллюстрирован случай, когда на все входы 9 интерферометра подают когерентные сигналы накачки 37. Передаточные матрицы двухканальных блоков 36 можно настроить таким образом, чтобы фокусировать всю мощность 38 когерентных сигналов в один выход 11.

На Фиг. 8а изображена схема интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) - оптического элемента, который является программируемым двухканальным блоком 36. ИМЦ состоит из двух статических сбалансированных делителей 39 и двух варьируемых элементов сдвигов фазы 40. Выставление значений сдвигов фаз 40 определяет передаточную матрицу ИМЦ. На Фиг. 8б представлена схема интегрально-оптической реализации ИМЦ, которая осуществляет преобразование между двумя пространственными каналами, реализованными в виде двух одномодовых волноводов. В этой реализации ИМЦ элементы статических делителей 39 реализованы в виде направленных делителей 41 - областями сближения двух волноводов до реализации связи между ними (А. Снайдер, Дж. Лав «Теория оптических волноводов» // Радио и Связь 1987). Варьируемые элементы сдвигов фаз 40 реализованы в виде интегрально-оптических элементов 42. Элементы изменяют показатель преломления материала вблизи своего расположения около отрезка волновода таким образом, что вносится набег фазы на этом участке. Например, может быть использован термо-оптический, электро-оптический или пьезо-оптический элемент фазового сдвига.

Способ фильтрации накачки осуществляют следующим образом.

1. Для фильтрации когерентной накачки от M источников сигналы с их выходов подают на входы N-канального интерферометра (), который выполнен с возможностью изменения его передаточной матрицы U. Выбирают подмножество из K выходов N-канального интерферометра, в которые будет осуществляться фокусировка когерентной накачки. Сигналы с этих выходов подают на детекторы, измеряющие мощность. Для выбранного интерферометра число каналов K выбирают исходя из возможности фокусировки накачки - мощность когерентной накачки на остальных выходах должна быть минимальной и удовлетворять требованиям. В качестве критерия можно использовать мощность когерентной накачки, проходящей в оставшиеся N-K выходы интерферометра, которая должна быть намного меньше, чем мощность фотонов на этих выходах.

2. Для фокусировки передаточную матрицу N-канального интерферометра программируют таким образом, чтобы мощность, измеряемая на K его выходах, выбранных для фокусировки накачки, была максимальной. Для этого варьируемые элементы сдвигов фазы интерферометра меняют таким образом, чтобы измеряемая мощность накачки в K выходах была максимальной. При использовании последовательности из нескольких интерферометров, изображенной на Фиг. 5, выполняют программирование всех интерферометров с достижением максимума мощности в выходах 11а, 11б, … 11в.

Предложенный способ фильтрации когерентной накачки можно реализовать с интерферометрами, использующими пространственное кодирование. В таких системах в качестве канала может выступать волновод или пространственная мода свободного пространства. В оптике волноводные структуры, формирующие схемы с пространственным кодированием, могут быть выполнены в виде интегральной оптической схемы, которую можно изготовить по планарной технологии литографии (L. Chrostowski, M. Hochberg, Silicon Photonics design: from devices to systems // Cambridge Univ. Press, 2015) или по трехмерной технологии, например, лазерной печатью (I.V. Dyakonov et al., Reconfigurable photonics on a glass chip // Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018)). В качестве элементов фазового сдвига в таких схемах могут применяться 1) термо-оптические элементы, которые меняют набег фазы участка волновода при пропускании через них электрического тока за счет его нагрева, 2) электро-оптические элементы, которые меняют набег фазы при приложении напряжения за счет изменения концентрации электронов и/или дырок на участке волновода, и 3) пьезо-оптического элемента, изменяющего набег фазы распространяющегося в волноводе сигнала под действием электрического напряжения, которое вызывает напряжение механическое на участке волновода, что меняет его показатель преломления.

Заявляемое изобретение может быть также реализовано в системах с частотным кодированием каналов. В таком случае в качестве дискретных каналов выступают неперекрывающиеся частотные линии спектра электромагнитного поля. Каждой из линии ставят в соответствие номер канала, таким образом, набор из линий образует множество каналов всего преобразования. В качестве амплитуды сигнала, распространяющегося по частотному каналу, выступает комплексная амплитуда соответствующей частотной компоненты. Стоит заметить, что использование частотной кодировки каналов многоканального преобразования позволяет использовать для передачи и преобразования один пространственный канал - один волновод, одну пространственную моду свободного пространства. Для осуществления взаимодействия между частотными каналами предложено использовать набор преобразований модуляции частотных каналов, которая наводит на каналы зависящую от времени фазу, профиль которой можно подбирать, и формирователь импульсов.

Наиболее широкое распространение многоканальные системы с частотными каналами получили в оптике, в частности, в квантовой. Заявляемое изобретение может быть реализовано по аналогии с системой, описанной в работе H.-H. Lu et al., Electro-optic frequency beam splitters and tritters for high-fidelity photonic quantum information processing // Phys. Rev. Lett., vol. 120, 030502, 2018), в которой продемонстрировано на практике осуществление преобразований Адамара для одного частотного канала и преобразование триттера для трех частотных каналов. Для реализации изобретения может быть использовано оптоволоконное оборудование, которое является стандартным для телекоммуникационного диапазона длин волн в районе 1550 нм. Для осуществления модуляции могут быть применены электрооптические модуляторы и формирователь импульсов, которые являются стандартными компонентами телекоммуникационного оборудования. Помимо оптоволоконных телекоммуникационных компонент, весь их набор можно также реализовать с помощью интегрально-оптических схем, т.к. все необходимые элементы были продемонстрированы. Например, интегрально-оптический формирователь импульсов продемонстрирован в работе K.A. McKinzie et al. InP integrated pulse shaper with 48 channel, 50 GHz spacing amplitude and phase control, 2017 IEEE Photonics Conference (IPC), 197-198 (2017). Интегрально-оптические модуляторы на протяжении долгого времени являются доступными для изготовления в интегрально-оптическом исполнении (K. Ogawa, Integrated silicon-based optical modulators: 100Gb/s and beyond, SPIE Press, ISBN: 9781510625815, 2019).

Заявляемое изобретение может быть также реализовано в системах, использующих временное кодирование. В этом случае, в качестве дискретных каналов выступают неперекрывающиеся между собой временные отрезки. Каждому временному отрезку ставят в соответствие номер канала. Импульс электромагнитного сигнала, находящийся во временном отрезке с некоторым индексом , интерпретируется как сигнал в канале , а амплитуда импульса интерпретируется как амплитуда сигнала в канале с этим индексом. Как и в случае с частотным кодированием, при временном кодировании используют одиночный пространственный канал, который может представлять собой волновод или пространственную моду свободного пространства. Для осуществления взаимодействия между каналами в этой схеме необходимы линии задержки и динамически варьируемые делители.

В частности, заявляемое изобретение может быть реализовано по аналогии с многоканальной схемой с временным кодированием, представленной в работе K.R. Motes et al., Scalable boson sampling with time-bin encoding using a loop-based architecture // Phys. Rev. A, vol. 113, 120501 (2014), в которой предложена универсальная многоканальная схема, которая основана на волоконных петлях задержки и реконфигурируемых двухканальных делителях - это стандартные компоненты, находящие применение, например, в телекоммуникации. Многоканальные блоки преобразования могут быть реализованы с помощью нескольких вложенных друг в друга петель задержки и постоянных делителей, тогда как варьируемые сдвиги фаз можно реализовать с помощью динамически программируемых фазовых модуляторов или фазовых сдвигов.

Примеры конкретного выполнения

Для проверки осуществимости предлагаемого изобретения с достижением технического результата была собрана оптическая установка, изображенная на Фиг. 9. Основными элементами установки являются: 1) накачивающий лазер 43, генерирующий импульсы на центральной длине волны 918.8 нм длительностью ~100 фс и частотой следования МГц, 2) разветвитель мощности лазерного излучения 44, который распределяет когерентные сигналы от лазера на 5 пространственных каналах, выполненный в интегрально-оптическом исполнении, 3) источник одиночных фотонов 45 на основе квантовой точки, генерирующий фотоны на длине волны 918.8 нм (центральная длина волны излучения лазера была специально подстроена для резонансного возбуждения источника фотонов), 4) программируемый 5-канальный интерферометр 46, выполненный в интегрально-оптическом исполнении, 5) детектор оптического излучения, способный регистрировать интенсивные когерентные сигналы лазера 47, 6) 4 сверхпроводниковых детектора одиночных фотонов 48, 7) компьютер 49, управляющий преобразованием 5-канального интерферометра через электрические линии 50 и обрабатывающий сигналы с детекторов, которые поступают на него по электрическим линиям 51.

В качестве программируемого интерферометра 46, осуществляющего фильтрацию остаточной когерентной накачки, использован интегрально-оптический чип, созданный с помощью технологии фемтосекундной лазерной печати, которая позволяет изготавливать как планарные, так и трехмерные интегрально-оптические схемы. Детали использованной технологии изготовления можно найти в работе I.V. Dyakonov et al., “Reconfigurable photonics on a glass chip” // Phys. Rev. Applied, vol. 10, 044048 (2018). Для создания интегрального чипа оптической схемы использована кварцевая заготовка в форме прямоугольника с длиной 12 см, шириной 5 см и толщиной 0.5 см. Интерферометр 46 имел 5 каналов, а его схема была выполнена со взаимным размещением элементов, изображенном на Фиг. 7. Двухканальные блоки интерферометров Маха-Цандера 36 в интегральной оптической схеме интерферометра 46 реализовываны по дизайну, изображенному на Фиг. 8б, где реализованы направленные делители с помощью областей сближения волноводов.

На первом этапе изготовления чипа программируемого интерферометра 46 в объеме заготовки создают пассивные волноводные структуры, формирующие статическую оптическую схему, представляющую собой соединенные друг с другом направленные делители. Начала и концы волноводов доведены до противоположных торцов стеклянной заготовки для обеспечения возможности заведения и выведения оптических сигналов.

Для реализации программируемости на чипе изготовлены элементы сдвига фазы, с помощью которых осуществлена реконфигурация интерферометров. Элементы сдвига фазы использовали термо-оптический эффект. Элементы изменяемых фазовых сдвигов представляли собой металлические полоски, располагаемые над участками волноводов, на которых было необходимо реализовать эти элементы. При подаче напряжения на элементы происходил нагрев соответствующих участков волноводов, в результате чего коэффициент преломления стекла в этой области менялся, вызывая таким образом сдвиг фазы относительно не нагретых участков.

Для разветвления когерентного излучения от лазера 43 между 5-ю пространственными каналами был изготовлен интегральный оптический чип разветвителя 44 технологией фемтосекундной лазерной печати, схема которого изображена на Фиг. 9б. Для создания интегрального чипа разветвителя использована кварцевая заготовка в форме прямоугольника с длиной 12 см, шириной 5 см и толщиной 0.5 см. Схема разветвителя состоит из 5-ти волноводов и включает в себя область сближения этих волноводов 52. В области сближения волноводов реализовано деление когерентной накачки лазера, которая подавалась на один волновод и распределялась между близко расположенными волноводами. Начало и конец одного волновода 53, в который заводилось излучение от лазера, доводились до противоположных торцов чипа, тогда как у остальных волноводов до торца доводились только выходные концы, чтобы выводить излучение из чипа. Ввод излучения накачки от лазера осуществлен через оптическое волокно. Вывод разделенного когерентного излучения с выходов чипа разветвителя также осуществлен через оптические волокна. Расстояние между волноводами в области связи и длина области связи подбиралась таким образом, чтобы реализовать равномерное распределение мощности когерентной накачки между 5 выходными каналами.

В оптической установке был использован один источник фотонов. Источником служила квантовая точка в микрорезонаторе, располагаемая в криостате и поддерживаемая при температуре 4 К (S.E. Thomas et al. “Bright polarized single-photon source based on a linear dipole” // Phys. Rev. Lett., vol. 126, 233601 (2021)). Криостат имел прозрачное окно для возможности завода когерентной лазерной накачки и вывода генерируемых однофотонных сигналов на центральной длине волны 918.8 нм. Импульсное излучение от лазера, выходящее из одного канала разветвителя, через оптическое волокно поступало на оптический телескоп, располагаемый у окна криостата, который фокусировал излучение накачки в источник фотонов; через телескоп также выводились генерируемые фотоны с остаточной накачкой. В установке была реализована резонансная схема накачки - центральная длина волны накачивающих лазерных импульсов соответствовала центральной длине волны генерируемых фотонов (см. Фиг. 5в).

Излучение с 5-ти выходов программируемого интерферометра поступало на детекторы. Один детектор 47 был способен регистрировать интенсивное излучение от лазера. Электрический ток с детектора пропорционален измеряемой мощности оптического сигнала, поступающего на детектор. 4-е остальных детектора 48 имели чувствительность на уровне однофотонных сигналов. Поступление одного фотона на детектор приводило к электрическому импульсу, который поступал по одной из 4-х электрических линий 51 на компьютер 49. В качестве детекторов одиночных фотонов использованы сверхпроводниковые детекторы. Сигналы с 4-х выходов программируемого интерферометра заводились в детекторы. Эффективность детектирования одиночных фотонов составляла ~85%. Электрические сигналы со всех 5-ти детекторов поступали на персональный компьютер. Этот же компьютер управлял программируемым интерферометром посредством выставления напряжений на термо-оптических элементах сдвигах фазы. Компьютерная программа обрабатывала сигналы, поступающие на компьютер от детекторов.

Для соединения оптических элементов оптической установки использованы одномодовые волокна, сохраняющие поляризацию оптических сигналов.

Для демонстрации работы заявляемого изобретения с помощью созданной установки сначала производилась настройка интерферометра 46 на «фокусировку» всей мощности накачки в выход 47 при не работающем источнике фотонов. Для отключения источника фотонов центральная длина волны, отвечающая излучательному переходу источника, отстраивалась относительно 918.8 нм в коротковолновую область, таким образом, лазерная накачка не могла возбудить источник. Отстройка длины волны произведена локальным нагревом источника, который выполнен приложением напряжения на расположенный рядом с ним диод. Компьютер выполнял поиск конфигурации напряжений, подаваемых на элементы сдвигов фаз в интерферометре 46, который отвечает максимальному электрическому току, поступающему с детектора 47. Т.к. доля накачки все же может проходить в каналы перед детекторами фотонов 48 из-за неточной настройки интерферометра по сигналу с детектора 47, далее проводилась более точная настройка интерферометра 46 с целью повысить качество «фокусировки» мощности накачки в канал перед детектором 47. Для этого проведена подстройка напряжений сдвигов фаз, которая минимизировала скорость отсчетов с детекторов одиночных фотонов 48. В результате настройки скорость фотоотсчетов детекторов 48 составила Гц, а мощность, поступающая на детектор 47, составляла нВт.

Далее включался источник фотонов с помощью подстройки длины волны, соответствующего излучающему переходу, на резонанс с длиной волны накачки 918.8 нм. В результате на выходе детекторов одиночных фотонов 48 наблюдался рост частоты фотоотсчетов (суммарной частоты на всех детекторах 48), который составил ~220 кГц. Т.к. подстройка длины волны излучательного перехода, включающая источник фотонов, приводит к поглощению фотона из когерентной накачки, а также она могла сопровождаться изменением в оптических свойствах микрорезонатора и квантовой точки, проводилась еще одна подстрока интерферометра 46. При подстройке целью было уменьшение частоты фотоотсчетов детекторов фотонов 48. После поднастройки частота фотоотсчетов уменьшилась и составила кГц.

На основе результатов эксперимента заявляемым способом в описанной выше реализации была проведена оценка величины коэффициента фильтрации. Был проведен расчет средней мощности оптического излучения нВт., поступавшей на детектор 47, как мощности отфильтрованной накачки, а частоты фотоотсчетов Гц (полученной на этапе без работающего источника фотонов) как частоты отсчетов фотонов когерентного излучения, которое не удалось отфильтровать подстройкой преобразования интерферометра 46. Был проведен пересчет мощности излучения из единиц Вт в единицы фотоны/с: , где Дж*с - постоянная Планка, м/с - скорость света в вакууме, нм - длина волны накачки. Средняя мощность сфокусированного когерентного сигнала на детекторе 47 составила 1/c. Таким образом, оценка для коэффициента фильтрации накачки составила . Здесь - эффективность детекторов одиночных фотонов.

Также можно выполнить оценку общих потерь, вносимых в однофотонные сигналы, генерируемые источником, на всем пути от выхода волокна, выводящего фотоны из источника, до сопряжения волокна с вводом в интерферометр 46, потери в этом интерферометре, сопряжении его выходов с волокнами, соединенными с детекторами 48. Для этой цели была измерена средняя скорость фотоотсчетов непосредственно на выходе волокна, выводящего фотоны из источника. Она составила МГц. Условия возбуждения источника были такими же, как и в эксперименте с интерферометром 46. Таким образом, оценка для потерь равна .

Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность источников фотонов, использующих для возбуждения когерентное оптическое излучение. Эффективность увеличивается за счет снижения потерь, вносимых традиционными способами фильтрации когерентного излучения. Помимо этого, изобретение дает возможность выполнять фильтрацию когерентного излучения от фотонов, генерируемых множеством источников, одним устройством, что упрощает его подстройку. Также, преимуществом предложенного изобретения является возможность выполнения фильтрации когерентного излучения при резонансном способе возбуждения источников одиночных фотонов, когда поляризация этого излучения совпадает с поляризацией генерируемых фотонов, а их спектры длин волн перекрываются.

Изобретение относится к области квантовой оптики и квантовой информации и касается способа фильтрации накачки для источников квантовых состояний. Способ включает подачу на M входов N-канального интерферометра, характеризующегося передаточной матрицей U размером N на N, сгенерированных фотонов от M источников фотонов с остаточными сигналами когерентной накачки от, по крайней мере, одного источника лазерного излучения. Сигналы когерентной накачки при использовании непрерывного режима формируют с одинаковым частотным спектром и одинаковой поляризацией, а при использовании импульсного режима формируют импульсы когерентной накачки одинаковой формы поляризации и с совпадающими центральными частотами их спектра, которые подают на N-канальный интерферометр синхронно. Передаточная матрица U выполнена с возможностью фокусировки входных сигналов когерентной накачки, включая остаточные сигналы когерентной накачки от источников фотонов, по меньшей мере, в один выход, и вывода части фотонов от источников фотонов в оставшиеся выходы. Технический результат заключается в снижении потерь при фильтрации, обеспечении возможности фильтрации одним устройством фотонов, генерируемых множеством источников и возможности фильтрации излучения, когда поляризация излучения совпадает с поляризацией генерируемых фотонов. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающий:

- подачу на M входов N-канального интерферометра, характеризующегося передаточной матрицей U размером N на N, сгенерированных фотонов от M источников фотонов с остаточными сигналами когерентной накачки, по меньшей мере, от одного источника лазерного излучения,

при этом сигналы когерентной накачки от лазерных источников при использовании непрерывного режима формируют с одинаковым частотным спектром и одинаковой поляризацией, а при использовании импульсного режима формируют импульсы когерентной накачки одинаковой формы поляризации с совпадающими центральными частотами их спектра, которые подают на N-канальный интерферометр синхронно;

передаточная матрица U выполнена с возможностью фокусировки входных сигналов когерентной накачки, включая остаточные сигналы когерентной накачки от источников фотонов, по меньшей мере, в один выход, и вывода части фотонов от источников фотонов в оставшиеся выходы.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно осуществляют подачу, по меньшей мере, на один из оставшихся входов N-канального интерферометра сигнала когерентной накачки, по меньшей мере, от одного источника лазерного излучения, при этом при использовании импульсного режима импульсы когерентной накачки подают на N-канальный интерферометр синхронно, включая остаточные импульсы когерентной накачки от источников фотонов;

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что передаточная матрица U выполнена таким образом, что умножение вектора амплитуд сигналов когерентной накачки, поступающих на вход N-канального интерферометра, включая остаточные сигналы накачки от источников фотонов, на передаточную матрицу U даёт заданный вектор амплитуд который содержит ненулевые элементы с индексами, соответствующими каналам, в которые осуществляется фокусировка сигнала когерентной накачки, а остальные элементы вектора – нулевые:

4. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что фокусировку сигнала когерентной накачки осуществляют в подмножество выходов, состоящее из K выходов N-канального интерферометра, посредством варьирования элементов сдвигов фаз до достижения максимума мощности, измеряемой в этом подмножестве выходов.

5. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что фокусировку сигнала когерентной накачки проводят посредством варьирования параметров делителей, входящих в состав N-канального интерферометра, или варьированием амплитуд сигналов когерентных накачек на входе в N-канальный интерферометр.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что выходные сигналы от источников фотонов, прошедшие через N-канальный интерферометр и содержащие фотоны от источников фотонов, подвергают преобразованию вторым интерферометром с количеством входов и выходов не менее чем количество выходов первого интерферометра, содержащих фотоны от источников фотонов.

7. Система для фильтрации накачки для источников квантовых состояний, включающая, по меньшей мере, источник лазерного излучения, по меньше мере, один источник фотонов, по меньшей мере, один N-канальный интерферометр, выполненный с возможностью фильтрации полученных сигналов от источников фотонов, прошедших первый интерферометр, от остаточных сигналов когерентной накачки способом по п. 1, и детекторы, установленные на выходах N-канального интерферометра, при этом количество детекторов соответствует количеству выходов K, в которые осуществляют фокусировку когерентной накачки.