物理科技生物学-PHYICA

利用关联光子的立花めい三维量子行走探索复杂图形

物理学 2021-10-31 23:58:50

作者:Thamarasee Jeewandara,Phys

(同organic)有机 使用偏振作为附加的合成维度

具有定制双折射的单个波导相干耦合电磁场的水平(红色)和垂直(蓝色)偏振模式

(二)由于两种偏振态的耦合,平面图(左)获得了额外的维度(中间)

三维图上光子对的希尔伯特空间采用更复杂的图形形式(右)

学分:科学进步,doi:10

1126/sciadv

abc5266 图形表示可以解决自然科学中的复杂问题,因为连接模式可以产生大量的紧急现象

基于图的方法在量子通信中特别重要,在高度分支的量子网络中与量子搜索算法并列

在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中,马克斯·厄尔哈特和德国物理学、实验物理学和量子科学的一组科学家引入了一种迄今为止尚未确定的范式,以直接实现与三维网络相关的激发动力学

为此,他们探索了复杂波导电路中光子对的空间自由度和偏振自由度的混合作用

该团队在复杂且高度连通的图上实验性地探索了多粒子量子行走,以此作为试验平台,为探索费米子动力学在集成光子学中的潜在应用铺平道路

复杂网络 复杂的网络可以出现在不同的科学领域,从生物信号通路和生物化学分子到高效的能量传输,从神经形态电路到互联网上的社会互动

这种结构通常使用图来建模,图的复杂性取决于节点的数量和它们之间的链接模式

图形的物理表示受限于它们在三维空间中的排列要求

人脑是缩放行为的一个显著例子,这不利于物理模拟,因为它有惊人的800亿个神经元,与允许信号在它们之间流动的100万亿个突触相比相形见绌

尽管节点数量相对较少,但由于复杂的网络拓扑、高效的多部分量子通信和搜索算法,离散量子系统面临着诸多挑战

然而,这样的物理实现迄今为止被限制在二维(2D)

研究人员通常使用量子行走来研究连通图的传输特性

例如,他们以前在一系列技术平台上使用线性一维(1D)链

在这项工作中,Ehrhardt等人

在三维图上显示相关光子的受控量子行走

为了实现图形结构,他们使用了一种新的混合方法,即使用飞秒激光写入将空间耦合波导的2D光子晶格刻入熔融石英

该方法为探索高度复杂图形的量子动力学开辟了新的途径,这些图形在众多科学学科中发挥着重要作用

偏振耦合器中的量子干涉

(一)三程飞秒激光写入波导能够控制双折射的大小和方向

慢轴角度α的改变允许任意包括保偏部分

在单个波导中组合的相关光子对由于在长度为L的旋转快轴和慢轴部分中的水平和垂直偏振模式的耦合而表现出HOM干涉

符合率是作为光子到达时间和旋转截面长度之间的时间延迟τ的函数来测量的

显示的cos2预测符合τ = 0的数据和仅由光子源限制的可见度(92

3 1

1)%(详见《材料与方法》)

观测到的最大能见度为(84

2 2

1)%

ARBITRAGEUR的简称

u

,任意单位

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abc5266 工作原理 该装置包括刻在熔融石英中的空间耦合波导和以光子偏振编码的合成维度

他们通过利用椭圆波导的固有双折射特性,建立了合成维度内的动力学,椭圆波导在历史上曾被用作单个单模光纤的偏振有源纤芯

该团队安排了两个正交偏振态之间的连续耦合,以相对于外部参考系在波导内发生

他们用红-欧-曼德尔效应来说明双粒子干涉的工作原理,这种效应产生于单个波导的偏振自由度

熔融石英中的直接激光写入波导本质上是双折射的,并且由慢/快主轴上具有传播常数的光子的玻色子零化算符哈密顿量单独描述

它们将轴以角度α(α)朝向水平或垂直参考系

根据海森堡运动方程,沿z方向传播的光子的偏振态的任何偏差都表示双折射的强度——折射率取决于光的偏振和传播方向的材料的光学特性

这种数学结构完全等同于耦合和失谐双波导系统中的动力学

该团队使用了一种偏振双重输入状态,它是由参量下转换(SPDC)产生的光子对合成的,并将其注入到一个45度角、定制长度的偏振保持波导中

利用实验装置,科学家们获得了20种不同长度的2D“直升机操作监测系统景观”

扩展系统 二维三维图形

(一)三棱柱的图形结构是由三个耦合的双折射波导以等边三角形排列而成的

双光子输入状态由单光子图上的红色节点以及偏振和波导子空间上的相应投影来说明

相应的实验观察到的非经典性(符合率见图

S4)在左手边显示的输入状态的双光子图上用颜色编码

灰色节点表示光子在同一个波导中的输出状态和偏振状态,这在没有光子数分辨探测的当前实验环境中是无法实现的

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abc5266 基于现有工具,Ehrhardt等人

将两个空间耦合波导的系统扩展为正方形晶格

虽然传统的波导耦合器是为特定的输入偏振而设计的,但在这种情况下,不同的分光比是由两个通道之间的偏振相关耦合强度的差异决定的,该耦合强度与主轴内的光子动力学有关

科学家们使用主轴旋转45度的方法,允许在给定的波导中,偏振态之间同时存在空间耦合和明确的串扰

他们还研究了每个位置最多一个光子的所有可能排列的双光子输入态的集体动力学

在正方形晶格中转换后,他们使用两个片上偏振分束器分离偏振分量,随后使用雪崩光电二极管检测光子

对于可区分的光子,Ehrhardt等人

注意到晶格位置之间同样强的耦合,以在整个晶格上形成均匀的输出概率分布

他们注意到相消性和相长性量子干涉是如何导致不可分辨光子的完全抑制和显著增强的

禁止和允许输出状态的摘要

两个光子在不同的偏振位置(每个光子位置由红色节点指示)和不同的波导(右列)或同一波导(中间列)中发射

我们对可能的最终双光子排列进行了分类,这些排列与它们的输入态和它们观察到的量子干涉的特征相关联,这些特征包括所有的(红色框架)和禁止态(蓝色框架)以及相同的(中间行)和不同的(底部行)输出偏振态

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abc5266 超立方体和子图结构 该团队展示了高维图形如何自然地产生超立方体对称性,从而为相关光子对的演化提供独特的特征

根据碳氢化合物抑制定律,他们注意到具有特定输入输出组合的双光子轨道出现了完全破坏性的量子干涉

Ehrhardt等人

进一步实现了一个实验性的三维量子行走,在这个实验中,他们将一个等边耦合的三角形的相同双折射波导转换成了一个三棱柱

利用这个装置,他们展示了在等边三角形波导晶格上,两个玻色子行者如何表现为费米子行者

玻色子行为和费米子行为的划分是由底层超立方体结构的直接结果造成的——类似的特征适用于任何子图结构

因此,这项工作指出了特别设计的波导晶格如何能够选择性地代表波导子空间上与玻色子或费米子双粒子干涉相关的抑制机制

实验装置

相关光子对由第一类SPDC产生(自发参量下转换)

用聚焦的激光束泵浦BiBO晶体

两个水平偏振的光子和泵浦光束被两个棱镜分开

通过光谱过滤器后,光子被颗粒物质纤维收集

光子之间的时间延迟τ由延迟级设定

(二)所产生的光子对或者在快轴上发射,或者在慢轴上发射

光子在两个或三个具有旋转主轴的波导排列中演化后,通过第二个样品上的集成PBS

最后,光子用多模光纤收集,用雪崩光电二极管探测

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abc5266 前景 通过这种方式,在复杂图形上探索量子动力学在各种科学学科中都很重要

然而,维度的增加使得他们的实验实现变得更具挑战性

马克斯·厄尔哈特和他的同事引入了一种新的方法,通过偏振自由度来扩展光子晶格的维数,以增加顶点在空间中的连通性

基于原理证明实验

在三维图上关联光子的完全受控量子行走中观察到的量子干涉——量子光子学的一个长期目标

已建立的框架可以让许多迷人的机会出现在相关量子行走的背景之外

基于这些结果,物理学家可以在光子模型系统中模拟双层2D材料的量子动力学

该团队希望在光学平台上更有效地进一步研究其他非平凡拓扑

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