[發明專利]一種偏振無關的量子頻率上轉換方法

有效

• 申請號: 201310409574.X
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103488022A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 周茜;湯瑞凱;李雄杰;武愕;潘海峰;吳伯濤;曾和平
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35;G02B27/28;H04B10/50
• 代理公司: 上海申蒙商標專利代理有限公司 31214
• 代理人: 徐小蓉

技術領域

本發明屬于波長轉換技術領域，具體涉及一種偏振無關的量子頻率上轉換方法。

背景技術

量子計算機突出的優點，吸引許許多多科學工作者從事相關研究。量子通信可以光子作為載體，糾纏態作為qubit編碼信息。而光纖通信以1550nm波段最優，糾纏態信息的存儲目前在銣蒸汽中效率最高，其波長在800nm左右。因此，如何在保持量子特性，特別是其糾纏態不改變的情況下，實現800nm附近光子與1550nm通信波段光子之間的相互轉化，成了關鍵性的問題。1992年Kumar通過實驗檢測頻率轉換前后的光子非經典強度相關性，驗證得出光子頻率上轉換后其量子特性得以保持。在這些量子糾纏態中，偏振糾纏態因其容易產生，能夠精準控制，且便于測量的優點得到了廣泛的應用。Paul?G.?Kwiat等人從經典場出發，推導出光子相位和偏振在頻率轉換的過程中適當條件下是保持原來的特性。

正是由于這一重要的量子特性，頻率轉換技術才能在量子光學領域得到重要應用。忽略泵浦在上轉換過程的能量損耗，可以用Ep表示，則和頻過程中系統哈密頓量可以表示為：

其中，為信號光子的湮滅算符，是和頻光子產生算符，g為耦合系數。應用初始條件，得出在出射非線性介質的時刻，入射光子態和和頻光子態的表達式：

L為非線性晶體中相互作用的長度。從以上兩個算符表達式可以看出，在滿足時，和頻光子與信號光子可以實現完全的轉換，并且保持完全相同的量子態，即。由此可知，光子在和頻轉換后是可以保持其原始光子特性的。

由于頻率上轉換探測是基于二階非線性晶體的非線性作用過程，除了滿足能量守恒

，

?分別表示信號光、泵浦光及和頻光的頻率，還需要滿足相位匹配條件

,

其中?分別對應頻率?的光波在介質中相應偏振態的折射率。為了滿足相位匹配條件，對信號光和泵浦光都有特定的偏振方向要求。晶體中發生第二類相位匹配和第零類相位匹配所要滿足的條件如下表所示。例如，為滿足第二類相位匹配條件，水平偏振信號光（）的頻率與其在晶體中的折射率乘積和豎直偏振泵浦光（）的頻率與其在晶體中的折射率乘積之和等于水平偏振和頻光（）的頻率與其在晶體中的折射率乘積，即?。如圖1中所示，H表示水平偏振態，V表示豎直偏振態。

然而，在光量子傳輸和量子光學等很多其他領域都需要偏振不敏感的探測器，國外很多小組開展了偏振無關的頻率上轉換探測研究。偏振無關上轉換，一般將入射信號光分為水平和豎直兩個正交偏振方向分別進行轉換，然后將兩個和頻后的偏振合束。入射光子偏振態，分解為正交偏振有

上轉換后和頻光子偏振態可以簡單描述為

由上兩式可看出，只要引入適當的延時，可以使得，上兩式可以合并為

這樣，和頻光在上轉換后保持了信號光的偏振特性。

2006年，Marius?A.?Albota小組利用周期極化鋰酸鈮晶體（PPLN）與一個四分之一波片（QWP）和高反射鏡的組合實現偏振無關的上轉換裝置，轉換效率達到73%左右。這一個方案利用內腔增強的方法，結構復雜，并且和頻光相比入射信號光翻轉90o。2012年A.?Zeilinger小組利用兩塊4.3mm周期極化磷酸氧鈦鉀晶體（PPKTP）垂直連結在一起實現偏振無關的上轉換，并驗證轉換后和頻光子很好的保持信號光子的偏振糾纏特性。但這一方法受光在晶體中走離的限制，晶體長度要很短，轉換效率不高。并且，在兩塊晶體中產生的和頻光之間會存在一個延時。

綜上所述，雖然目前偏振無關的頻率上轉換方法很多，但都存在各種缺陷與不足。

發明內容

本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種偏振無關的量子頻率上轉換方法，該上轉換方法通過利用第二類相位匹配和第零類相位匹配串聯能轉換相互正交偏振態的特點，實現了同軸的、無相位延時的偏振無關的頻率上轉換。

本發明目的實現由以下技術方案完成：

一種偏振無關的量子頻率上轉換方法，涉及入射的泵浦光和信號光，其特征在于所述上轉換方法具體為：在同一個光路中分別采用第二類相位匹配和第零類相位匹配，所述第二類相位匹配過程中，入射的所述泵浦光與信號光偏振相互垂直，且出射的上轉換光偏振與所述信號光一致；所述第零類相位匹配過程中，入射的所述泵浦光與信號光以及出射的上轉換光偏振方向均一致，利用偏振分束器將水平偏振態的所述上轉換光和垂直偏振態的所述上轉換光合束，實現與入射光量子偏振態完全相同的頻率上轉換過程。