Quantistico

npj Quantum Information volume 8, numero articolo: 58 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Modellare il funzionamento monomodale in fibre ad alta potenza richiede una conoscenza precisa delle proprietà ottiche del guadagno medio. Ciò richiede misurazioni precise delle differenze di indice di rifrazione (Δn) tra il nucleo e il rivestimento della fibra. Sfruttiamo un metodo ottico quantistico basato sull'interferometria di Hong-Ou-Mandel a bassa coerenza per eseguire misurazioni pratiche della differenza dell'indice di rifrazione utilizzando fotoni entangled energia-tempo a banda larga. Il miglioramento della precisione raggiunto con questo metodo è confrontato con un metodo classico basato sull'interferometria a singolo fotone. Mostriamo in regime classico un miglioramento di un ordine di grandezza della precisione rispetto ai metodi classici già riportati. Sorprendentemente, nel regime quantistico, dimostriamo un fattore aggiuntivo di 4 sull’aumento della precisione, esibendo una precisione Δn all’avanguardia di 6 × 10−7. Questo lavoro pone la metrologia della fotonica quantistica come un potente strumento di caratterizzazione che dovrebbe consentire una progettazione più rapida e affidabile di materiali dedicati all'amplificazione della luce.

Le sorgenti luminose in fibra sono tra le tecnologie chiave in crescita nel campo della fotonica grazie alle loro eccezionali prestazioni in termini di elevata potenza media, eccellente qualità del fascio, guadagno a passaggio singolo e multiplo e agilità1. Hanno rivoluzionato le applicazioni scientifiche e industriali esistenti nel campo biomedico e, ad esempio, nella lavorazione dei materiali industriali, oltre ad avviarne di nuove, come la metrologia e l'imaging2,3. Lo sviluppo del laser a fibra si basa su un approccio complementare tra la progettazione su misura della guida d'onda e la sintesi di materiali ottici a bassa perdita per consentire la propagazione ad alta potenza. Molti sforzi sono stati dedicati all'ingegneria delle guide d'onda, portando ad architetture di fibre speciali come le fibre microstrutturate ad area molto ampia (VLMA)4,5. Anche i materiali ottici hanno ricevuto grande attenzione attraverso un lavoro di ingegneria dedicato6,7. Tuttavia, nonostante i progressi compiuti nell’ultimo decennio, manca ancora un metodo sperimentale che consenta una caratterizzazione precisa delle proprietà ottiche dei materiali. Un esempio lampante è quello delle fibre VLMA. La pietra angolare della loro fabbricazione risiede nella precisa conoscenza della differenza di indice di rifrazione Δn tra i due diversi materiali che compongono il nucleo e il rivestimento della guida d'onda, che deve essere inferiore a 10−5 per garantire il funzionamento monomodale all'interno di un nucleo di grandi dimensioni fibra5. La precisione associata dovrebbe essere inferiore di almeno un ordine di grandezza, ovvero ~10−6. Sfortunatamente, i risultati di precisione più avanzati basati sulla tomografia a coerenza ottica (OCT) sono limitati a 10−4 8,9,10, principalmente a causa della dispersione cromatica.

In questo articolo, introduciamo un metodo sperimentale basato sull'OCT quantistico che consente misurazioni di Δn con una precisione fino a 6 × 10−7, corrispondente a un miglioramento quadruplicato rispetto ai metodi classici. Questa consiste nello sfruttamento di un interferometro di tipo Hong-Ou-Mandel (HOM) alimentato con fotoni entangled energia-tempo a bassa coerenza11. Rispetto agli esperimenti basati su un singolo fotone, lo sfruttamento degli stati bifotonici quantistici presenta due vantaggi principali12,13: (i) la risoluzione dello strumento non è influenzata dalla dispersione di ordine pari nel campione grazie alla cancellazione della dispersione risultante dalla correlazione energetica, e (ii ) una robustezza aumentata alle perdite del campione in prova (SUT)14. Oltre alla maggiore precisione, questo approccio è indipendente dal SUT, portando a misurazioni delle proprietà ottiche universali e versatili15.

L'interferometria HOM rappresenta un concetto fondamentale nell'ottica quantistica11 ed è di particolare rilevanza per la misurazione di fotoni indistinguibili16, che è al centro del teletrasporto quantistico e dello scambio di entanglement17,18. Inoltre, l'effetto HOM è stato sfruttato per generare uno stato N00N a due fotoni entangled19, una classe di stati ampiamente utilizzata nella metrologia quantistica basata sul rilevamento di fase avanzato. Ciò include la microscopia20, le misurazioni delle proprietà dei materiali15, nonché la rilevazione medica e biologica21. Il concetto comune in queste applicazioni consiste nel determinare accuratamente i ritardi temporali relativi, come richiesto per misurazioni Δn precise. Ad oggi, gli ingredienti chiave per ottenere la massima precisione nella misurazione del ritardo temporale utilizzando l'effetto HOM sono: i) la geometria del percorso comune che aiuta significativamente la stabilità dell'interferometro limitando allo stesso tempo l'applicazione solo a campioni birifrangenti22,23 , e ii) l'utilizzo di campioni molto corti che non superino la lunghezza di coerenza dei singoli fotoni (<100 μm)24,25.