Automatic compensation of polarisation drifts in an optical fibre

Abstract

In days where Science Fiction uses the word ?Quantum? to justify any weird phenomena, we are actually on the edge of the Second Quantum Revolution. The ability to harness the potential of the quantum state of single particles leads research to make steps towards, amongst others, the creation of the Quantum Internet. To complete this project are needed end nodes, repeaters, and channels that can reliably transport a flying qubit without affecting its state. In this work we present a system designed to automatically compensate drifts occurring in one of the most popular channels: optical fibres carrying polarisation-encoded photons. Based on a feedback loop and a set of piezoelectric actuators influencing the birefringence of the propagation material, the system can iteratively reduce the drifts in the fibre. From the measurement of the state of polarisation of light at the output for a known input, the correction to apply is calculated and average fidelities of 99.98 % are reached. Such system could simplify future experiments that connect multiple nodes by eliminating the need of manual control over the variations in polarisation in the fibre.

En días donde la ciencia ficción usa la palabra ?Cuántica? para justificar cada fenómeno sorprendente, realmente nos encontramos a la puerta de la Segunda Revolución Cuántica. La capacidad de controlar el estado cuántico de partículas individuales permite a la investigación hacer avances en la dirección de, entre otras cosas, el Internet Cuántico. Para llevar este proyecto a cabo, necesitamos nodos, repetidores y canales capaces de transportar fielmente un qubit sin cambiar su estado. En este trabajo se presenta un sistema diseñado para compensar automáticamente fluctuaciones en uno de los canales más populares: fibras ópticas para el transporte de fotones con información almacenada en su polarización. Basado en un circuito de realimentación y un conjunto de elementos piezoeléctricos que pueden modificar la birrefringencia del medio de propagación, el sistema reduce iterativamente las variaciones inducidas por la fibra. De la medida de la polarización de salida para una entrada conocida, se calcula la corrección necesaria para compensar las variaciones y finalmente se llega a fidelidades entre el estado final i la referencia del 99.98%. Un sistema de ese tipo permite simplificar la realización de futuros experimentos que conecten múltiples nodos eliminando la necesidad de controlar manualmente los cambios de polarización que se producen dentro de la fibra.

En una època on la ciència ficció utilitza la paraula ?quàntica? per justificar qualsevol fenòmen estrany, realment ens trobem a punt de viure la segona revolució quàntica. Tenir accés al potencial que ofereix el control sobre l?estat quàntic de partícules individuals permet a la recerca avançar cap a, entre altres, l?Internet Quàntic. Per arribar a aquest objectiu, es necessiten nodes, repetidors i canals que permetin transportar de manera fidel un qubit, sense afectar al seu estat. Aquest treball presenta un sistema dissenyat per compensar automàticament les fluctuacions que poden ocórrer en un dels canals més populars: les fibres òptiques que transporten fotons amb informació guardada en la seva polarització. Basat en una realimentació i un conjunt d?actuadors piezoelèctrics capaços de modificar la birefringència del medi de propagació, el sistema redueix iterativament les variacions que que es poden produir a la fibra. A partir de la mesura de l?estat de polarització a la sortida de la fibra quan s?introdueix un estat conegut, es pot calcular i aplicar una correcció, la qual ha permès arribar a fidelitats entre el estat final i la referencia del 99.98 %. Un sistema d?aquesta mena permet simplificar la realització d?experiments que connecten múltiples nodes eliminant la necessitat de controlar manualment l?efecte de la fibra sobre la llum.