quântico

npj Quantum Information volume 8, Número do artigo: 58 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A modelagem da operação monomodo em fibras de alta potência requer um conhecimento preciso das propriedades ópticas do meio de ganho. Isso requer medições precisas das diferenças de índice de refração (Δn) entre o núcleo e o revestimento da fibra. Nós exploramos um método óptico quântico baseado na interferometria de Hong-Ou-Mandel de baixa coerência para realizar medições práticas da diferença de índice de refração usando fótons emaranhados energia-tempo de banda larga. O aumento de precisão alcançado com este método é comparado com um método clássico baseado em interferometria de fóton único. Mostramos no regime clássico uma melhoria de uma ordem de grandeza da precisão em comparação com os métodos clássicos já relatados. Surpreendentemente, no regime quântico, demonstramos um fator extra de 4 no aprimoramento da precisão, exibindo uma precisão Δn de última geração de 6 × 10−7. Este trabalho define a metrologia fotônica quântica como uma poderosa ferramenta de caracterização que deve permitir um projeto mais rápido e confiável de materiais dedicados à amplificação de luz.

As fontes de luz de fibra estão entre as principais tecnologias de crescimento no campo da fotônica devido ao seu excelente desempenho em termos de alta potência média, excelente qualidade do feixe, ganho de passagem única e múltipla e agilidade1. Eles revolucionaram as aplicações científicas e industriais existentes no campo biomédico e processamento de materiais industriais, por exemplo, bem como iniciaram novos, como metrologia e imagem2,3. O desenvolvimento do laser de fibra depende de uma abordagem complementar entre o design de guia de onda personalizado e a síntese de materiais ópticos de baixa perda para permitir a propagação de alta potência. Muito esforço tem sido dedicado à engenharia de guias de onda, levando a arquiteturas de fibras especiais, como fibras microestruturadas de modo de área muito grande (VLMA)4,5. Os materiais ópticos também receberam grande atenção por meio de trabalhos de engenharia dedicados6,7. No entanto, apesar do progresso feito na última década, ainda falta um método experimental que permita a caracterização precisa das propriedades dos materiais ópticos. Um exemplo notável é o das fibras VLMA. A pedra angular de sua fabricação reside no conhecimento preciso da diferença do índice de refração Δn entre os dois materiais diferentes que compõem o núcleo e o revestimento do guia de ondas, que deve ser inferior a 10−5 para garantir a operação de modo único dentro de um grande núcleo fibra5. A precisão associada deve ser pelo menos uma ordem de grandeza inferior, ou seja, ~10−6. Infelizmente, as conquistas de precisão de última geração baseadas na tomografia de coerência óptica (OCT) são limitadas a 10−4 8,9,10, principalmente devido à dispersão cromática.

Neste artigo, apresentamos um método experimental baseado em OCT quântico que permite medições de Δn com uma precisão de até 6 × 10−7, correspondendo a um aumento de quatro vezes em relação aos métodos clássicos. Isso consiste em explorar um interferômetro do tipo Hong-Ou-Mandel (HOM) alimentado com fótons emaranhados energia-tempo de baixa coerência11. Em comparação com experimentos baseados em fótons únicos, a exploração de estados de bifótons quânticos apresenta duas vantagens principais12,13: (i) a resolução do instrumento não é afetada pela dispersão de ordem uniforme na amostra graças ao cancelamento da dispersão resultante da correlação de energia e (ii ) uma robustez aumentada às perdas da amostra sob teste (SUT)14. Além do aumento da precisão, essa abordagem é independente do SUT, levando a medições de propriedades ópticas universais e versáteis15.

A interferometria HOM permanece como um conceito fundamental em óptica quântica11 e é de particular relevância para a medição de fótons indistinguíveis16, que está no centro do teletransporte quântico e da troca de emaranhamento17,18. Além disso, o efeito HOM foi explorado para gerar o estado N00N de dois fótons emaranhados de caminho19, uma classe de estados amplamente usada em metrologia quântica baseada em detecção de fase aprimorada. Isso inclui microscopia20, medições de propriedades de materiais15, bem como sensores médicos e biológicos21. O conceito comum nessas aplicações reside na determinação precisa dos atrasos de tempo relativos, conforme necessário para medições Δn precisas. Até o momento, os principais ingredientes para obter a medição de atraso de tempo de maior precisão usando o efeito HOM são: i) a geometria de caminho comum que ajuda significativamente a estabilidade do interferômetro e, ao mesmo tempo, limita a aplicação apenas a amostras birrefringentes22,23 , e ii) o uso de amostras muito curtas que não excedam o comprimento de coerência dos fótons individuais (<100 μm)24,25.