Отправить статью по E-mail Интегрально-оптические C-NOT гейты: оценка основных параметров для практической реализации
- Авторы: Петров В.М.1, Коротеев Д.А.2, Семисалов Д.А.2, Страшилин В.С.2, Хлусевич Д.С.2, Яковлев М.И.2, Парфенов М.В.3
-
Учреждения:
- Санкт-Петербургский государственный университет
- Национальный исследовательский университет ИТМ
- ФТИ им. А. Ф. Иоффе
- Выпуск: Том 17, № 1 (2023)
- Страницы: 58-71
- Раздел: Квантовые технологии
- URL: https://journals.eco-vector.com/1993-7296/article/view/626616
- DOI: https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.1.58.70
- ID: 626616
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Рассмотрено влияние отклонения параметров светоделителей на работу квантового фотонного гейта в интегрально-оптическом исполнении. Показано, что требуемая точность вполне достижима для электро-оптического управления в геометрии X-делителя. Проведенные оценки длины устройства показывают возможность его реализации даже на подложках длиной 3 дюйма.
Полный текст
Об авторах
В. М. Петров
Санкт-Петербургский государственный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: photonics@technosphera.ru
ORCID iD: 0000-0002-8523-0336
д.ф.-м.н. (радиофизика), д.ф.-м.н. (оптика), профессор, кафедра общей физики
Россия, Санкт-ПетербургД. А. Коротеев
Национальный исследовательский университет ИТМ
Email: photonics@technosphera.ru
ORCID iD: 0000-0002-5489-4017
студент, факультет фотоники
Россия, Санкт-ПетербургД. А. Семисалов
Национальный исследовательский университет ИТМ
Email: photonics@technosphera.ru
ORCID iD: 0000-0003-1757-6519
студент, факультет фотоники
Россия, Санкт-ПетербургВ. С. Страшилин
Национальный исследовательский университет ИТМ
Email: photonics@technosphera.ru
ORCID iD: 0000-0002-0655-0199
студент, факультет фотоники
Россия, Санкт-ПетербургД. С. Хлусевич
Национальный исследовательский университет ИТМ
Email: photonics@technosphera.ru
ORCID iD: 0000-0002-8298-9451
студент, факультет фотоники
Россия, Санкт-ПетербургМ. И. Яковлев
Национальный исследовательский университет ИТМ
Email: photonics@technosphera.ru
студент, Институт лазерных технологий
Россия, Санкт-ПетербургМ. В. Парфенов
ФТИ им. А. Ф. Иоффе
Email: photonics@technosphera.ru
ORCID iD: 0000-0003-3867-9007
м.н.с., лаборатория квантовой электроники
Россия, Санкт-ПетербургСписок литературы
- O’Brien J. L., Pryde G. J., White A. G., Ralph T. C., Branning D. Demonstration of all-optical quantum controlled-NOT gate. Letters to Nature. 2003: 426, 264–267. doi: 10.1038/nature02054.
- Ding Z. Y., Yang H., Yuan H., Wang D., Yang J., Ye l. Experimental investigations of linear-antropy-based uncertainty relations in all-optical systems. Phys. Rev. A. 2020;101:022116. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.022116.
- Gao X., Zhang Y., D’Errico A., Heshami K., Karimi E. High-speed imaging of spatiotemporal correlation in Hong-Ou-Mandel interference. Optics Express. 2022;30(11): 19456–19464. doi: 10.1364/OE.456433.
- Stefanov A., Zbinden H., Gisin N., Suarez A. Quantum entanglement with acousto-optic modulators: Two-photon beats and Bell experiments with moving beam splitters. Phys. Rev. A. 2003; 67: 042115. doi: 10.1103/PhysRevA.67.042115.
- Petrov V. M., Shamrai A. V., Il’ichev I. V., Agruzov P. M., Lebedev V. V. Broadband integrated optical modulators: advances and perspectives. UFN. 2021; 191(7):760–782. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.11.038871.
- Hirari A., Matsumote Y., Sato T., Kawai T. et all. Optical multimode interference couplers of Ti: LiNbO3 waveguides and electrical tuning of power splitting ratio. Optics Communications. 2021;501:127325. doi: 10.1016/j.optcom.2021.127325.
- Zhang M., Feng L., Li M., Chen Y. et all. Supercompact Photonic Quantum Logic Gate on a Silicon Chip, Phys. Rev. Letters 126 (2021) 130501. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.130501.
- Lebedev V. V., Petrov V. M., Ilichev I. V., Agruzov P. M., Shamray A. V. Istochnik kvantovogo shuma na osnove detektirovaniya drobovogo shuma balansnogo fotopriyemnika s upravlyayemym integralno-opticheskim svetodelitelem. Pisma v ZhTF. 2021; 47(21): 10–12. DOI: https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.21.51620.18870.(In Russ.). Лебедев В. В., Петров В. М., Ильичев И. В., Агрузов П. М., Шамрай А. В. Источник квантового шума на основе детектирования дробового шума балансного фотоприемника с управляемым интегрально-оптическим светоделителем. Письма в ЖТФ. 2021;47(21): 10–12. DOI: https://doi.org/10.21883/PJTF.2021.21.51620.18870.
- Petrov V., Medvedev A., Liokumovich L., Miazin A. Fiber-optic polarization interferometric sensor for precise electric field measurements. International Journal of Modern Physics A. 2016; 31(2&3): 1641032–1–1. doi: 10.1142/S0217751X16410323.
- Petrov V. M., Shamrai A. V., Il’ichev I. V., Agruzov P. M., Lebedev V. V., Gerasimenko N. D., Gerasimenko V. S. National Microwave Integrateed Optical Modulators for Quantum Communication. Photonics Russia. 2020;14(5): 414–422. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.5.414.423.
- Vashukevich E. A., Lebedev V. V., Ilichev I. V., Agruzov P. M., Shamrai A. V., Petrov V. M., Golubeva T. Yu. Broadband Chip-Based Source of Quantum Noise with Electrically Controllable Beam Splitter. Phys. Rev. Applied. 2022;17(6) 064039. doi: 10.1103/PhysRevApplied.17.064039.
- Petrov V. M., Shamray A. V., Ilyichev I. V., Gerasimenko N. D., Gerasimenko V. S., Agruzov P. M., Lebedev V. V. Generation of Optical Frequency Harmonics for Quantum Communication Systems at Side Frequencies. Photonics Russia. 2020;14(7):570–582. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.570.582.
- Nikonorov N. V., Petrov V. M. Golograficheskie opticheskie komponenty na osnove fotorefraktivnyh kristallov i styokol: sravnitel’nyj analiz i perspektivy razvitiya. Optika i spektroskopiya. 2021; 129(4): 385–392. doi: 10.21883/OS.2021.04.50764.290-20. (In Russ.). Никоноров Н. В., Петров В. М. Голографические оптические компоненты на основе фоторефрактивных кристаллов и стекол: сравнительный анализ и перспективы развития. Оптика и спектроскопия. 2021;129(44): 385–392. doi: 10.21883/OS.2021.04.50764.290-20.
- Martin A., Alibart O., De Micheli M. P., Ostrowsky D. B., Tanzilli S. A quantum relay chip based on telecommunication integrated optics technology. New Journal of Physics. 2012;4: 025002. doi: 10.1088/1367-2630/14/2/025002.
- Smith B. J., Kundis D., Thomas-Peter N., Smith P. G. R., Walmsley I. A. Phase-controlled integrated photonic quantum circuits. Optics Express. 2009;17(16):13516–13525. doi: 10.1364/OE.17.013516.
- Wen J., Li K., Gong Y., Copner B., Hughes B. et all. Numerical investigations of on-chip wavelength conversion based on InP/In1-xGaxAsyP1-y semiconductor waveguide platforms, Optics Communications. 2020;473:12592. doi: 10.1016/j.optcom.2020.125921.
- Yue J., Wang C., Lin H., Ding S. et all. Interlayer directional coupling thermo-optic waveguide switches based on functionalized epoxy-crosslinking polymers. Optics Express. 2022;30(9):13931–13941. doi: 10.1364/OE.451063.
- Johansson J. R., Nation P. D., Nori F. QuTiP 2: A Python framework for the dynamics of open quantum systems. Comp. Phys. Comm. 2013;184:1234. doi: 10.1016/j.cpc.2012.11.019.
- Knill E., Laflamme R., Milburn G. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature 409, 46–52 (2001). https://doi.org/10.1038/35051009.
- Hong C. K., Ou Z. Y., Mandel L. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference. Phys. Rev. Lett. 1987;59(18):2044–2046. doi: 10.1103/PhysRevLett.59.2044.
- Koroteev D. A., Gerasimenko V. S., Gerasimenko N. D., Petrov V. M. The Role of Leaky Modes in the Operation of Devices Based on Integrated-Optical Mach-Zehnder Interferometers. Photonics Russia. 2022;16(3):236–245. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.3.236.244.
Дополнительные файлы
Доп. файлы
Действие
1.
JATS XML
2.
Рис. 1. Схема C-NOT гейта в интегрально-оптическом исполнении (показано не в масштабе): Ain – Fin – входные волноводы, Aout – Fout – выходные волноводы, BS1 – BS5 – светоделители, выполненные в виде интегрально-оптических X-каплеров. Светоделители BS1, BS5 имеют коэффициент деления 1 / 2, светоделители BS2–BS4 имеют коэффициент деления 1 / 3 (буква π указывает на наличие фазового сдвига в данном канале; синим цветом показаны электроды, позволяющие производить точную подстройку коэффициента деления; δL – длина линейного участка волновода; ΔХ – длина закругленного участка волновода; ΔL – длина участка светоделителя)
Скачать (223KB)
3.
Рис. 2. Все возможные варианты и их вероятности появления выходных состояний C-NOT гейта для случая, когда на входы гейта поступают два фотона (синей вертикальной полосой выделен случай верного срабатывания гейта)
Скачать (220KB)
4.
Рис. 3. Графики зависимостей вероятности нахождения заданного состояния на выходе светоделителя 1/2 от отклонения θ и ϕ от заданной величины
Скачать (141KB)
5.
Рис. 4. График зависимостей вероятности нахождения заданного состояния на выходе светоделителя 1/3 от отклонения θ и от заданной величины
Скачать (83KB)
6.
Рис. 5. Графики зависимостей вероятности нахождения заданного состояния на выходе светоделителя 1/3 от отклонения ϕ от заданной величины
Скачать (114KB)
7.
Рис. 6. Графики зависимостей вероятности нахождения заданного состояния на выходе светоделителей 1/2 от отклонения θ от заданной величины
Скачать (137KB)
8.
Рис. 7. Графики зависимостей вероятности нахождения заданного состояния на выходе светоделителей 1/2 от отклонения ϕ от заданной величины
Скачать (164KB)
9.
Рис. 8. График зависимостей вероятности нахождения заданного состояния на выходе светоделителя 1/3 от отклонения θ
Скачать (86KB)
10.
Рис. 9. График зависимостей вероятности нахождения заданного состояния на выходе светоделителя 1/3 от отклонения ϕ
Скачать (127KB)
