المقدمة
تعمل الفوتونات كحاملات ممتازة للمعلومات الكمومية. لديهم أوقات تماسك طويلة في درجة حرارة الغرفة وهي الخيار الذي لا مفر منه لبث المعلومات الكمية عبر مسافات طويلة ، إما في الفضاء الحر أو عبر شبكة الألياف الضوئية. تعد تهيئة الحالة الكمومية مهمة ذات أهمية خاصة للكيوبتات الضوئية ، نظرًا لأن ضبط التشابك بعد الانبعاث أمر غير بديهي. تعتمد استراتيجيات التهيئة على درجة الحرية المستخدمة في ترميز المعلومات الكمومية ، والاختيار الأكثر شيوعًا للاتصال الكمي عبر القنوات الضوئية هو ترميز بن الوقت1. هنا ، تتكون مستويات XNUMX كيوبت من وجود الفوتون في إحدى النوافذ ذات الوقتين ، مفصولة عمومًا ببضع نانوثانية. يتميز ترميز Time-bin بالمرونة الشديدة لتقلبات الطور الناتجة عن الضوضاء الحرارية في الألياف الضوئية ، حيث تحافظ الكيوبتات على تماسكها حتى على مدى مئات الكيلومترات2,3. ومع ذلك ، فإن التحكم في الحالة التي يتم فيها إنشاء فوتونات متشابكة بن الوقت يمثل تحديًا وغير عملي في المنصات الفوتونية النانوية الناشئة. من أجل التلاعب على الرقاقة لحالات كيوبت ، يعد التشفير ثنائي السكة ، حيث تتوافق حالتا كيوبت مع الفوتون المنتشر في أحد دليلي الموجات الضوئية ، إستراتيجية ممتازة4,5 وبالتالي فهو خيار شائع للحوسبة الكمومية والمحاكاة الكمومية في منصات متكاملة. ومع ذلك ، فإن هذا النهج لا يتوافق بسهولة مع وصلات الإرسال لمسافات طويلة باستخدام الألياف الضوئية أو قنوات الفضاء الحر.
في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح ترميز بن التكرار ، وتم عرضه تجريبياً ، كاستراتيجية جذابة يمكن أن تجمع بين أفضل خصائص ترميز حاوية الوقت وتشفير السكك الحديدية المزدوجة6,7,8,9,10,11. في هذا النهج ، يتم تشفير المعلومات الكمومية بواسطة الفوتون في تراكب نطاقات تردد مختلفة. يمكن معالجة حاويات التردد باستخدام مُعدِّلات الطور ، وهي مقاومة لضوضاء الطور في الانتشار لمسافات طويلة. بحثت الدراسات الرائدة في توليد ومعالجة فوتونات متشابكة بن التكرار في الرنانات المتكاملة. لقد نظروا في التصوير المقطعي للحالة الكمومية لأزواج الفوتونات المتشابكة12، qudit الترميز13، وحالات متشابكة متعددة الفوتونات14. كانت جميع النتائج التجريبية قابلة للتحقيق بفضل التطوير الأخير للرنانات المتكاملة عالية الجودة في منصات نيتريد السيليكون وأكسينيتريد السيليكون.
على الرغم من كل هذا التقدم ، يجب التغلب على بعض العقبات لاستغلال الميزة الكاملة للتكامل الضوئي. في ترميز حاوية التردد اليوم ، يحدث توليد أزواج الفوتون عبر خلط تلقائي بأربع موجات في مرنان أحادي الحلقة ، مع الحالة المرغوبة التي يتم الحصول عليها خارج الشريحة ، باستخدام مُعدِّلات كهروضوئية و / أو صائغي نبضي. ونظرًا لأن المُعدِّلات التجارية لها نطاق ترددي محدود ، فإن مدى التردد الذي يفصل الفوتونات لا يمكن أن يتجاوز بضع عشرات من الجيجاهيرتز ، مما يضع حداً لأقصى مدى طيفي مجاني للرنان. أخيرًا ، نظرًا لأن كفاءة الخلط التلقائي بأربع موجات تتدرج بشكل تربيعي مع النطاق الطيفي الخالي من الرنان15، هناك أيضًا مفاضلة كبيرة بين معدل التوليد وعدد حاويات التردد التي يمكن الوصول إليها.
في هذا العمل ، أظهرنا أنه يمكن التغلب على هذه القيود من خلال الاستفادة من مرونة التلاعب بالضوء في منصة ضوئية نانوية والتكامل البصري الكثيف الممكن في فوتونات السيليكون. يعتمد نهجنا على بناء الحالة المرغوبة عن طريق التحكم المباشر على الرقاقة لتداخل سعة البيفوتون المتولدة في الرنانات الحلقية المتعددة التي يتم ضخها بشكل متماسك. وهكذا يمكن بناء الدول "قطعة بقطعة" بطريقة قابلة للبرمجة ، عن طريق اختيار المرحلة النسبية لكل مصدر. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن التباعد بين حاويات التردد لم يعد مرتبطًا بنصف قطر الحلقة ، يمكن للمرء أن يعمل مع رنانات عالية الجودة ، تصل إلى معدلات توليد ميجا هرتز. هذان الاختراقان ، وهما معدلات الانبعاث العالية إلى جانب القيم العالية للنطاق الطيفي الحر ، جنبًا إلى جنب مع التحكم في حالة الخرج باستخدام مكونات على الرقاقة ، يمكن تحقيقهما فقط باستخدام حلقات متعددة: لن يكونا ممكنين لو كانت حاويات التردد المشفرة على السمت وسائط مرنان واحد.
نوضح أنه باستخدام نفس الجهاز ، يمكن للمرء أن يولد جميع تراكبات |00⟩| 00⟩ و |11⟩| 11⟩ تنص أو ، في تكوين آخر مع تباعد مختلف في حاوية التردد ، كل تراكبات |01⟩| 01⟩ و |10⟩| 10⟩ تنص على. يحتاج المرء فقط إلى قيادة ناقل الحركة على الرقاقة وتعيين تكوين المضخة بشكل مناسب. هذا يعني أن جميع الحالات الأربع القابلة للفصل تمامًا للأساس الحسابي وجميع حالات بيل الأربعة المتشابكة إلى أقصى حد (∣∣Φ±⟩=(|00⟩±|11⟩)/2- √| Φ ±⟩ = (| 00⟩ ± | 11⟩) / 2 و ∣∣Ψ±⟩=(|01⟩±|10⟩)/2- √| Ψ ±⟩ = (| 01⟩ ± | 10⟩) / 2) يمكن الوصول إليها. يسمح لنا معدل التوليد العالي لدينا بإجراء تصوير مقطعي للحالة الكمومية لجميع هذه الحالات ، والوصول إلى دقة تصل إلى 97.5٪ بنقاوة تقترب من 100٪.
