Interferómetro y método para controlar la coalescencia de un par de fotones.

Un interferómetro para controlar la coalescencia de un par de fotones,

que comprende:

- una fuente óptica (51, 52) configurada para generar un primero y un segundo pulso de bomba coherente uno con otro y desplazado en tiempo mediante un retardo (T); y

- primer medio interferométrico (Ia) configurado para recibir el primer pulso de bomba y generar un estado

antisimétrico con dos fotones coalescentes ;

caracterizado porque comprende un segundo medio interferométrico (Is) configurado para recibir el segundo pulso de bomba y para generar un estado simétrico con dos fotones coalescentes conectados el primero y segundo medios interferométricos de tal manera que el interferómetro está configurado para generar un estado final igual a la suma sopesada del estado antisimétrico y del estado simétrico , siendo los pesos de dicha suma una función de dicho retardo.

Interferómetro y método para controlar la coalescencia de un par de fotones La presente invención se relaciona con un interferómetro y método para controlar la coalescencia de un par de fotones.

Como se sabe, se han propuesto dispositivos que son capaces de revelar el comportamiento cuántico de la Naturaleza. En particular, se conocen dispositivos que permiten la detección del comportamiento cuántico de partículas tales como, por ejemplo, fotones. La operación de estos dispositivos se basa en un procesamiento del estado de fotones individuales o múltiples y encuentra aplicación en sectores particularmente avanzados tales como, por ejemplo, la computación cuántica, criptografía cuántica, comunicaciones cuánticas y generación de números pares aleatorios.

En particular, también es conocido el así llamado interferómetro de Hong-Ou-Mandel, también conocido como interferómetro HOM, un ejemplo del cual se muestra en la figura 1, donde se indica con el numeral de referencia 1.

En detalle, el interferómetro HOM 1 comprende una fuente óptica 2, un cristal 4, una línea de retardo 6, un desplazador 8 de fase de polarización, primero y segundo espejos 10, 12 y un divisor de haces ópticos 14. El interferómetro HOM 1 también comprende un detenedor de haces 16.

En mayor detalle, la fuente óptica 2 es un tipo coherente de fuente, tal como una fuente de láser por ejemplo.

El cristal 4 es un cristal ópticamente no lineal tal como, por ejemplo, un cristal no centrosimétrico (por ejemplo, un cristal de borato de bario (BBO) y está alineado con la fuente óptica 2.

La línea de retardo 6 es de tipo óptico y está formada, por ejemplo, por un llamado trombón óptico. Durante el uso, cuando es cruzada por un fotón, la línea de retardo 6 lo retarda durante un tiempo predeterminado.

Mientras que con respecto al desplazador de fase 8 de polarización, este está formado por un cristal birrefringente, el cual retarda los fotones que tienen polarizaciones diferentes de manera diferente, a saber introduciendo desplazamiento en fase controlado, típicamente no mayor que la longitud de onda de los fotones. Por ejemplo, el desplazador de fase 8 de polarización puede ser controlado por voltaje.

En mayor detalle, el cristal 4 define, junto con la línea de retardo 6, el desplazador de fase 8 de polarización y el primer espejo 10, un primer camino óptico 20. El cristal 4, también define, junto con el espejo 12, un segundo camino óptico 22. La línea de retardo 6 es capaz de alterar la longitud óptica del primer camino óptico 20 con respecto al segundo camino óptico 22.

El divisor de haces óptico 14 es uno del tipo llamado 50/50 y tiene una primera y segunda entrada y una primera y segunda salida. Desde el punto de vista clásico, dada una señal incidente sobre cualquier entrada de la primera y segunda entradas, se generaran dos señales sobre la primera y segunda salidas del divisor de haces óptico 14 que tiene la mitad de la potencia de la señal incidente.

El primero y segundo caminos ópticos 20, 22 están conectados óptica y respectivamente a la primera y segunda entradas del divisor de haces ópticos 14.

Operacionalmente, la fuente óptica 2 es capaz de emitir pulsos electromagnéticos formados a partir de fotones a la misma frecuencia, los cuales se denominan comúnmente como fotones de bomba; estos pulsos electromagnéticos, y por lo tanto los fotones de bomba, impactan sobre el cristal 4.

En particular, asumiendo que un fotón de bomba impacta sobre el cristal 4, debido al fenómeno de subconversión paramétrica espontánea (SPDC) , el cristal 4 puede generar un par de fotones convertidos, uno de los cuales se propaga a lo largo del primer camino óptico 20, mientras que el otro se propaga a lo largo del segundo camino óptico 22. En vez de esto, en el caso donde no hay subconversión paramétrica espontánea, el fotón de bomba pasa a través del cristal 4 y es absorbido por el detenedor 16 de haces, el cual, para este propósito, está dispuesto al frente del cristal 4, con el cual está alineado.

En el caso donde se generan dos fotones convertidos, ambos se propagan hasta alcanzar una entrada respectiva del divisor de haces ópticos 14. En este aspecto, en general, pero no necesariamente, el divisor de haces ópticos 14 es formado por un par de prismas adecuados para recibir señales electromagnéticas que se propagan en el espacio libre, de tal forma que el término “entrada” implica una dirección correspondiente de propagación de una señal electromagnética o un fotón que impacta sobre el divisor de haces ópticos 14, mientras que el término “salida” implica una dirección correspondiente de propagación de una señal electromagnética o un fotón que se mueve separándose del divisor de haces óptico 14.

El término “primer fotón convertido” se utiliza para indicar el fotón del par de fotones convertidos que se propaga a lo largo del primer camino óptico 20; este fotón llega a la primera entrada del divisor de haces ópticos 14 después de haber pasado a través de la línea de retardo 6 y el desplazador de fase 8 de polarización, y después de haber sido reflejado por el primer espejo 10. Adicionalmente, cuando el primer fotón convertido impacta sobre el divisor de haces ópticos 14, puede, alternativamente y con la misma probabilidad, pasar a través del divisor de haces óptico 14, saliendo de la primera salida del divisor de haces óptico 14, o puede ser reflejado por el divisor de haces óptico 14, saliendo de la segunda salida del divisor de haces óptico 14.

De la misma forma, el término “segundo fotón convertido” se utiliza para indicar el fotón del par de fotones convertidos que se propaga a lo largo del segundo camino óptico 22; este fotón arriba a la segunda entrada del divisor de haces óptico 14 después de ser reflejado por el segundo espejo12. Adicionalmente, cuando el segundo fotón convertido impacta sobre el divisor de haces ópticos 14, puede, alternativamente y con la misma probabilidad, pasar a través del divisor de haces óptico 14, saliendo desde la segunda salida del divisor de haces óptico 14, o puede ser reflejado por el divisor de haces óptico 14, saliendo de la primera salida del divisor de haces óptico 14.

En otras palabras, en el caso donde el primer fotón convertido pasa a través del divisor de haces óptico 14, no cambia su dirección de propagación. Por el contrario, cuando el primer fotón convertido es reflejado por el divisor de haces óptico 14, la dirección de propagación cambia. Adicionalmente, el cristal 4, el primero y segundo espejos 10, 12 y el divisor de haces óptico 14 se dispone de tal manera que, en caso de reflexión, el primer fotón convertido se propaga con una dirección de propagación igual a la dirección de propagación en la cual el segundo fotón convertido impacta sobre el divisor de haces óptico 14.

Pueden hacerse consideraciones completamente simétricas con respecto al segundo fotón convertido. En efecto, en el caso donde el segundo fotón convertido pasa a través del divisor de haces óptico 14, no cambia su dirección de propagación. Por el contrario, cuando el segundo fotón convertido es reflejado por el divisor de haces óptico 14, la dirección de propagación cambia. Adicionalmente, el cristal 4, el primero y segundo espejos 10, 12 y el divisor de haces óptico 14 están dispuestos de tal manera que, en caso de reflexión, el segundo fotón convertido se propaga con una dirección de propagación igual a la dirección de propagación con la cual primer fotón convertido impacta sobre el divisor de haces óptico 14.

Así, en el caso donde el primer fotón convertido pasa a través del divisor de haces óptico 14 y el segundo fotón convertido es reflejado por el divisor de haces óptico 14, subsecuentemente se propagan a lo largo de una misma dirección de propagación (primera salida del divisor de haces óptico) . De la misma forma, en el caso donde el primer fotón convertido es reflejado por el divisor de haces óptico 14 y el segundo fotón pasa a través del divisor de haces óptico 14, subsecuentemente se propagan a lo largo de una misma dirección de propagación (segunda salida del divisor de haces óptico) .

Con el fin de detectar el comportamiento cuántico de los fotones, es posible preparar un primero y un segundo fotodetector 30, 32, ambos del tipo de fotón individual, esto es, capaces de detectar fotones individuales. Por ejemplo, el primero y segundo fotodetectores 30, 32 podrían ser fotodiodos de avalancha en modo Geiger, también conocidos como fotodiodos de avalancha de fotón individual (SPAD) .

El primer fotodetector 30 es colocado para detectar el primer... [Seguir leyendo]

1. Un interferómetro para controlar la coalescencia de un par de fotones, que comprende:

- una fuente óptica (51, 52) configurada para generar un primero y un segundo pulso de bomba coherente uno con otro y desplazado en tiempo mediante un retardo (T) ; y

- primer medio interferométrico (Ia) configurado para recibir el primer pulso de bomba y generar un estado

antisimétrico con dos fotones coalescentes ;

caracterizado porque comprende un segundo medio interferométrico (Is) configurado para recibir el segundo pulso de bomba y para generar un estado simétrico con dos fotones coalescentes conectados el primero y segundo medios interferométricos de tal manera que el interferómetro está configurado para generar un estado final igual a la suma sopesada del estado antisimétrico y del estado simétrico , siendo los pesos de dicha suma una función de dicho retardo.

2. El interferómetro de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primero y segundos medios interferométricos (Ia, Is) definen un primer camino óptico (70, 86, 100) y un segundo camino óptico (72, 88, 102) ; y en donde el segundo medio interferométrico comprende un primer cristal (54) del tipo ópticamente no lineal y configurado para recibir el segundo pulso de bomba, y el primero y segundo divisores de haces ópticos (64, 98) , el primero y el segundo caminos ópticos extendidos entre el primer cristal y el segundo divisor de haces óptico, estando el primer divisor de haces óptico interpuesto entre el primer cristal y el segundo divisor de haces óptico, y estando atravesado por el primero y segundo caminos ópticos.

3. El interferómetro de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el primer medio interferométrico (Ia) comprende dicho segundo divisor de haces (98) óptico y un segundo cristal (84) del tipo ópticamente no lineal y configurado para recibir el primer pulso de bomba, siendo atravesado el segundo cristal por el primero y segundo caminos ópticos (70, 86, 100; 72, 88, 102) y estando interpuesto entre el primero y segundo divisores de haces (64, 98) ópticos.

4. El interferómetro de acuerdo con las reivindicación 3, en donde el primero y segundo cristales (54, 84) están adaptados para emitir un primero y un segundo par de fotones, respectivamente, al recibir el segundo y primero pulsos de bomba, respectivamente; y en donde el primero y segundo caminos ópticos (70, 86, 100; 72, 88, 102) son tales, que considerados cualquiera entre dicho primero y segundo pares de fotones, un fotón de dicho par considerado es emitido a lo largo del primer camino óptico, y el otro fotón es emitido a lo largo del segundo camino óptico.

5. El interferómetro de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el segundo medio interferométrico (Is) comprende un primer medio de retardo óptico (56, 58) dispuesto a lo largo del primer camino óptico (70, 86, 100) , interpuesto entre el primer cristal (54) y el primer divisor de haces óptico (64) , y adaptado para retardar de una manera electrónicamente controlable el fotón del primer par de fotones que se propaga a lo largo del primer camino óptico.

6. El interferómetro de acuerdo con la reivindicación 5, en donde dicho primer medio interferométrico (Ia) comprende un segundo medio de retardo óptico (90, 92) dispuesto a lo largo del primer camino óptico (70, 86, 100) , interpuesto entre el segundo cristal (84) y el segundo divisor de haces óptico (98) , y adaptado para retardar de una manera electrónicamente controlable los fotones del primero y segundo pares de fotones que se propagan a lo largo del primer camino óptico.

7. El interferómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, que comprende adicionalmente primero y segundo elementos ópticos birrefringentes (78, 80) , teniendo dicho primero y segundo cristales (54, 84) y primero y segundo elementos ópticos birrefringentes ejes ópticos respectivos; adicionalmente, el primero y segundo elementos ópticos birrefringentes están dispuestos a lo largo del primero y segundo caminos ópticos (70, 86, 100; 72, 88, 102) , respectivamente, y están interpuestos entre el primero y segundo cristales (54, 84) y tienen la misma longitud, igual a la longitud del segundo cristal, teniendo cada uno del primero y segundo elementos ópticos birrefringentes adicionalmente una posición que corresponde a la posición del segundo cristal, rotada en 90° alrededor del eje óptico.

8. El interferómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en donde el primer divisor de haces óptico (64) es alternativamente del tipo polarizante o 50/50.

9. El interferómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el primer medio interferométrico (Ia) forma un interferómetro Hong-Ou-Mandel.

10. Un método para controlar la coalescencia de un par de fotones que comprende las etapas de:

- generar un primero y segundo pulso de bomba coherente uno con otro y desplazado en el tiempo mediante un retardo;

- sobre la base de dicho primer pulso de bomba, generar un estado antisimétrico con dos fotones coalescentes

; 5 caracterizado por que comprende adicionalmente las etapas de:

- sobre la base de dicho segundo pulso de bomba, generar un estado simétrico con dos fotones coalescentes ; y

- ejecutar dichas etapas de generar un estado antisimétrico con dos fotones coalescentes y un estado simétrico con dos fotones coalescentes de manera que se genere un estado final igual a una suma sopesada del estado

antisimétrico y el estado simétrico

, siendo los pesos de dicha suma una función de dicho retardo.