Temporal Multimode Transformations for Quantum Information Science
量子信息科学的时态多模变换
基本信息
- 批准号:2112900
- 负责人:
- 金额:$ 40万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2021
- 资助国家:美国
- 起止时间:2021-09-01 至 2024-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Quantum information science and technology (QIST) is a rapidly evolving field of interdisciplinary research that aims to harness the behavior of quantum systems to enable new capabilities for a range of applications including computation, communications, and sensing. A variety of physical systems are being explored for their potential to encode and manipulate quantum bits (qubits), each of which presents different advantages and challenges. Within QIST, light plays an important role in the transport and extraction of quantum information. To date most approaches to encoding quantum information in light fields has focused on polarization and spatial profile of light beams, which are not compatible with optical fiber networks that will form the backbone of a future quantum Internet. In this project the group will develop an experimental platform to encode quantum information in temporal modes of quantum light, where the temporal shape and color of a photon, a light ‘particle,’ carries information. Quantum applications enabled by temporal mode encoding include linear optics quantum computing, quantum communications, sensing, and simulations. Beyond the scientific and technological impacts, this project will contribute to a quantum-ready workforce through training of graduate and undergraduate students. This project will develop methods to control and measure pulses of light at the single-photon level and its application to perform targeted operations for quantum information applications. Common approaches to shape optical laser pulses, which employ filtering or amplification, are not compatible with quantum light. To address the temporal modes of light thus requires unitary (phase only) transformations that modify the spectral and temporal phase of the light pulses. For quantum applications most efforts have focused on nonlinear optical means for pulse control. Here the group will use linear-optical methods with electro-optic temporal phase modulation and dispersive spectral phase. The overarching research goal is the implementation of unitary transformations on temporal modes. The proposed approach is to realize such temporal mode transformations by the sequential application of temporal phase modulation and spectral dispersion using off-the-shelf components. To overcome challenges in timing instability that arise in the application of temporal phase using electro-optic modulators, the radio-frequency driving field will be directly generated from the optical pulses that generate the single photons to be manipulated. To verify that the targeted temporal mode transformations are experimentally implemented, an approach to characterize the transformations – a technique known as quantum process tomography – based upon spectral interferometry will be developed.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
量子信息科学技术(QIST)是一个跨学科研究的快速发展的领域,旨在利用量子系统的行为,以为包括计算,通信和敏感性在内的一系列应用提供新的功能。正在探索各种物理系统,以编码和操纵量子位(Qubits),每个物理系统都带来了不同的优势和挑战。在QIST中,光在量子信息的运输和提取中起着重要作用。迄今为止,大多数在光场中编码量子信息的方法都集中在光束的极化和空间谱上,这些光束与光纤网络不兼容,光纤网络将形成未来量子互联网的骨干。在这个项目中,该小组将开发一个实验平台,以临时的量子光模式编码量子信息,其中光子的临时形状和颜色带有信息,即带有信息。通过临时模式编码启用的量子应用程序包括线性光学计算,量子通信,灵敏度和仿真。除了科学和技术的影响外,该项目还将通过培训研究生和本科生来为量子准备的劳动力做出贡献。该项目将开发用于控制和测量单光子级别的光脉冲及其应用针对量子信息应用的目标操作的方法。塑造光学激光脉冲(员工过滤或放大)的常见方法与量子光兼容。因此,为了解决光的临时模式,需要统一的(仅相)转换,以改变光脉冲的光谱和临时相。对于量子应用,大多数努力都集中在脉冲控制的非线性光学手段上。在这里,小组将使用电流临时相调制的线性光学方法和分散性的总体研究目标是实施临时模式上的单一转换。所提出的方法是通过使用现成的成分对时间相调制和光谱分散剂的顺序应用实现这种临时模式转换。为了克服使用电彩调节器在时间阶段应用时出现的正时不稳定性的挑战,将直接从光学脉冲中生成射频驱动场,从而生成要操纵的单个照片。为了验证实验实现目标临时模式转换,将开发基于光谱干扰的转换的方法 - 一种称为量子过程断层扫描的技术。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是通过基金会的知识分子和更广泛影响的审查标准来通过评估来通过评估来获得支持的。
项目成果
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