[發明專利]一種提高量子關聯光子對模式純度和收集效率的方法

有效

• 申請號: 201710300027.6
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN106990641B
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 李小英;崔亮
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本發明公開了一種提高量子關聯光子對模式純度和收集效率的方法，包括以下步驟：采用由一段非線性介質、一段色散介質和一段非線性介質依次構成的級聯結構；利用脈沖激光對所述級聯結構進行泵浦，通過級聯結構中的級聯自發參量過程產生量子關聯光子對；所述量子關聯光子對強度在不同波長處發生周期性的干涉相長和相消；干涉相長和相消對應的波長可通過改變色散介質的長度進行調諧；使用濾波和收集裝置，將干涉相長所對應波長處的量子關聯光子對進行收集和輸出。本發明基于由一段非線性介質、一段色散介質和一段非線性介質依次構成的級聯結構，通過脈沖激光泵浦的級聯自發參量過程，提高所產生量子關聯光子對模式純度和收集效率的方法。

技術領域

本發明屬于光量子技術領域，具體涉及量子關聯光子對的制備，以及以量子關聯光子對為基礎的糾纏光子和單光子的制備。

背景技術

量子關聯光子對(簡稱關聯光子對)是指在時間——能量自由度上具有量子關聯特性的一對光子，是量子信息技術中的關鍵資源之一。基于關聯光子對，不僅可以通過特定的相位匹配或后選擇等技術，制備時間、頻率、偏振等不同維度的糾纏光子，還可以利用光子對中一個光子的探測信號來宣布另一個光子的存在，制備宣布式單光子，從而滿足量子信息技術的需求。

非線性介質中的自發參量過程是制備關聯光子對的有效途徑，已得到了廣泛應用。常用的自發光學參量過程包括χ⁽²⁾二階非線性介質中的自發參量下轉換過程以及χ⁽³⁾三階非線性介質中的自發四波混頻過程。在自發參量下轉換或自發四波混頻過程中，來源于強泵浦光的一個或兩個光子湮滅，同時產生一對量子關聯光子對(也稱為孿生光子對)。所產生的關聯光子對通常分別稱之為信號光子和閑頻光子，在經過濾波和收集裝置后，兩者被分別輸出。

非線性介質中的自發參量過程可使用連續激光或脈沖激光對非線性介質進行泵浦。與連續光相比，脈沖光具有峰值功率高、重復頻率恒定等特點。對于脈沖光泵浦參量過程的量子關聯光子對源，關聯光子對的產生時間被精確限定在泵浦脈沖的持續時間內，有助于不同關聯光子對源間的時間同步，從而實現獨立光源間的量子干涉。被泵浦的非線性介質可以是塊狀介質(如塊狀非線性晶體)或波導介質(如光纖、具有波導結構的非線性晶體等)。對于塊狀介質，其產生的關聯光子對通常不具有單一的空間模式，因而造成光子對的濾波和收集過程較為復雜；對于波導介質，可通過利用單模波導使產生的關聯光子對具有單一的空間模式，從而為光子對的濾波和收集提供方便。

以下的背景技術說明以由高斯脈沖泵浦的單模光波導中的自發四波混頻過程為例。該過程所產生的關聯光子對可使用如下的聯合頻譜函數描述：

聯合頻譜函數F(ω_s,ω_i)正比于產生一對頻率分別為ω_s和ω_i的信號和閑頻光子對的幾率振幅，可表示為泵浦脈沖包絡函數(乘號前部分)和相位匹配函數(乘號后部分)的乘積。泵浦脈沖包絡函數中的ω_p為泵浦光的中心頻率，σ_p為泵浦光的帶寬，信號、閑頻光子和泵浦光的波長與頻率的關系為λ_j＝2πc/ω_j(c代表光速)。相位匹配函數中的L為非線性介質長度，Δk＝k_s+k_i-2k_p+2γP_p為相位失配，k_p、k_s和k_i分別代表泵浦、信號和閑頻光子的傳播常數，由非線性介質的色散決定，γ代表介質的非線性系數，P_p代表泵浦光的峰值功率。經過收集和濾波過程后，若使用f_s(ω_s)表示信號光子通道的濾波器透射譜，f_i(ω_i)表示閑頻光子通道的濾波器透射譜，則關聯光子對的頻譜可以表示為f_s(ω_s)f_i(ω_i)F(ω_s,ω_i)。