Preparando y reconstruyendo estados cuánticos puros de dimensión arbitraria D mediante el uso de un modulador espacial de luz

J.J.M. VARGA; L. REBÓN; S.LEDESMA; CLAUDIO IEMMI

Bariloche

Congreso; 98º Reunión AFA; 2013

AFA

Los sistemas cuánticos son los portadores de información en los procesos de información cuántica y protocolos de computación cuántica. Mientras que los qubits (sistemas cuánticos de dimensión 2) son los sistemas más básicos y usuales para llevar a cabo tales tareas, los qudits (sistemas cuánticos de dimensión D) han recibido un creciente interés debido a su mayor potencial para dichas aplicaciones [1]. Los qudits espaciales son sistemas cuánticos en donde la información se encuentra codificada en los grados de libertad de posición y momento transversal de fotones individuales. Si bien momento y posición son variables contínuas, pueden utilizarse, por medio de una discretización adecuada, para definir estados cuánticos de dimensión finita arbitraria. Este método se basa en el uso de un arreglo de D rendijas, lo que determina el número de posibles caminos seguidos por el fotón [2]. Para ello pueden utilizarse máscaras de amplitud y fase estáticas, aunque en la práctica resulta dificultoso y consume mucho tiempo dado que cada estado a ser preparado requiere generar una máscara diferente. En este sentido, el uso de moduladores espaciales de luz programables (SLMs) simplifica dramáticamente este proceso, permitiendo manipular en tiempo real el estado sin modificación del dispositivo óptico. En [3] se muestra que puede generarse un estado arbitrario utilizando dos SLMs en serie para definir la amplitud compleja de la superposición lineal que determina el estado cuántico. La tomografía de qudits fotónicos de alta dimensión también puede realizarse vía el uso de SLMs [4] permitiendo no sólo la transmisión de información sino también la obtención de la misma. En este trabajo se presenta un nuevo método para preparar estados puros arbitrarios de dimensión D utilizando un único SLM trabajando en modo de fase. El método consiste en codificar la función compleja de transmisión, correspondiente a un dado estado, mediante la programación de una red de fase con una modulación apropiada en la región correspondiente a cada ranura, lo que permite controlar las amplitudes reales del estado, más la adición de una fase constante que determina las fases relativas de la superposición lineal. Con esta codificación es posible tanto preparar el estado como realizar mediciones proyectivas sobre bases arbitrarias. Mostramos los resultados para dos tipos de estructuras periódicas y para dos variaciones en la manera de establecer las fases relativas. Hemos implementado el método para un gran número de estados de dimensión 2 cubriendo la esfera de Bloch estudiando la fidelidad del proceso de reconstrucción tomográfica. Como ejemplos adicionales, mostramos la flexibilidad del método para implementar qudits de mayor dimensión en los casos D = 3, 4 y 7. Esta nueva configuración, además de más simple, compacta, menos costosa y de eliminar problemas de alineado, reduce ampliamente las pérdidas luminosas, lo cual es relevante al trabajar con fotones individuales generados por conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC). [1] S. M. Barnett, Quantum Information (Oxford University Press, Oxford, 2009). [2] L. Neves, S. Pádua, and C. Saavedra, Phys. Rev. A 69, 042305 (2004). [3] G. Lima, A. Vargas, L. Neves, R. Guzmán, and C. Saavedra, Opt. Express 17, 10688 (2009). [4] G. Lima, L. Neves, R. Guzmán, E. S. Gómez, W. A. T. Nogueira, A. Delgado, A. Vargas, and C. Saavedra, Opt. Express 19, 3542 (2011).