Квантовый

npj Quantum Information, том 8, Номер статьи: 58 ​​(2022) Цитировать эту статью

1367 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

Формирование одномодового режима работы в мощных волокнах требует точного знания оптических свойств усиливающей среды. Это требует точных измерений разностей показателей преломления (Δn) между сердцевиной и оболочкой волокна. Мы используем квантово-оптический метод, основанный на низкокогерентной интерферометрии Хонг-Оу-Манделя, для выполнения практических измерений разницы показателей преломления с использованием широкополосных фотонов, запутанных по энергии и времени. Повышение точности, достигаемое с помощью этого метода, сравнивается с классическим методом, основанным на однофотонной интерферометрии. Мы показываем в классическом режиме улучшение точности на порядок по сравнению с уже известными классическими методами. Поразительно, но в квантовом режиме мы демонстрируем дополнительный коэффициент повышения точности в 4 раза, демонстрируя современную точность Δn 6 × 10−7. Эта работа превращает метрологию квантовой фотоники в мощный инструмент определения характеристик, который должен обеспечить более быструю и надежную разработку материалов, предназначенных для усиления света.

Волоконные источники света входят в число ключевых технологий развития в области фотоники благодаря своим выдающимся характеристикам с точки зрения высокой средней мощности, превосходного качества луча, одно- и многопроходного усиления и гибкости1. Они произвели революцию в существующих научных и промышленных приложениях в биомедицинской области и, например, в промышленной обработке материалов, а также инициировали новые, такие как метрология и визуализация2,3. Разработка волоконного лазера основана на взаимодополняющем подходе между индивидуальной конструкцией волноводов и синтезом оптических материалов с низкими потерями, обеспечивающими распространение высокой мощности. Много усилий было посвящено разработке волноводов, что привело к созданию специальных волоконных архитектур, таких как микроструктурированные волокна с очень большой площадью мод (VLMA)4,5. Оптическим материалам также уделялось большое внимание благодаря специальной инженерной работе6,7. Однако, несмотря на прогресс, достигнутый за последнее десятилетие, экспериментальный метод, позволяющий точно охарактеризовать свойства оптических материалов, до сих пор отсутствует. Ярким примером являются волокна VLMA. Краеугольным камнем их изготовления является точное знание разницы показателей преломления Δn между двумя различными материалами, составляющими сердечник и оболочку волновода, которая должна быть ниже 10–5, чтобы обеспечить одномодовую работу в большом сердечнике. волокно5. Соответствующая точность должна быть как минимум на порядок ниже, т. е. ~10–6. К сожалению, современные достижения точности, основанные на оптической когерентной томографии (ОКТ), ограничены значениями 10–4 8,9,10, главным образом из-за хроматической дисперсии.

В этой статье мы представляем экспериментальный метод, основанный на квантовой ОКТ, позволяющий измерять Δn с точностью до 6 × 10−7, что соответствует четырехкратному улучшению по сравнению с классическими методами. Он заключается в использовании интерферометра типа Хонг-Оу-Манделя (ХОМ), питаемого фотонами с низкой когерентностью, запутанными по энергии и времени11. По сравнению с однофотонными экспериментами, использование квантовых бифотонных состояний демонстрирует два основных преимущества12,13: (i) на разрешение прибора не влияет дисперсия четного порядка в образце благодаря подавлению дисперсии, возникающему в результате энергетической корреляции, и (ii) ) повышенная устойчивость к потерям испытуемого образца (SUT)14. Помимо повышенной точности, этот подход не зависит от тестируемого оборудования, что приводит к универсальным и универсальным измерениям оптических свойств15.

HOM-интерферометрия является фундаментальной концепцией квантовой оптики11 и имеет особое значение для измерения неразличимых фотонов16, которые лежат в основе квантовой телепортации и обмена запутанностью17,18. Кроме того, эффект HOM был использован для генерации двухфотонного состояния N00N с запутанными путями19, класса состояний, широко используемого в квантовой метрологии, основанной на улучшенном фазовом распознавании. Сюда входят микроскопия20, измерения свойств материалов15, а также медицинские и биологические исследования21. Общая концепция этих приложений заключается в точном определении относительных задержек по времени, что необходимо для точных измерений Δn. На сегодняшний день ключевыми ингредиентами для получения высочайшей точности измерения задержки с использованием эффекта ХОМ являются: i) геометрия общего пути, которая значительно повышает стабильность интерферометра, в то же время ограничивая его применение только двулучепреломляющими образцами22,23 и ii) использование очень коротких образцов, которые не превышают длину когерентности одиночных фотонов (<100 мкм)24,25.