[發明專利]一種利用量子干涉控制量子關聯光子對頻譜特性的方法

在審

• 申請號: 201810072595.X
• 申請日: 2018-01-25
• 公開（公告）號: CN108267908A
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發明（設計）人: 李小英;崔亮;蘇杰;李嘉敏
• 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

本發明公開了一種利用量子干涉控制量子關聯光子對頻譜特性的方法，該方法利用多級參量過程的量子干涉來調控非線性相互作用；采用非線性介質和色散介質的級聯結構，可以將參量過程位相匹配和光子對頻譜特性的控制過程相分離，因此可以對不同波長的光子對頻譜進行靈活調控。通過控制非線性介質的色散控制光子對的波長范圍；通過控制非線性介質之間色散介質的色散特性、長度及干涉的級次來控制光子對的頻譜特性。并將非線性介質中滿足特定波長的位相匹配過程和利用色散控制光子對頻譜特性的過程分離，可以對不同波長的光子對頻譜進行靈活調控。本發明具有工藝簡單、且光子對波長可靈活改變的優點，還具有同時輸出多波長頻譜可分解光子對的優點。

技術領域

本發明屬于量子信息科學與技術領域，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，具體為一種控制量子關聯光子對頻譜特性的方法。

背景技術

很多量子信息處理技術的實現，依賴于變換極限的光子之間的量子干涉。非線性介質中的自發光學參量過程是一種制備量子關聯光子對、預報式單光子等量子光場的有效方法。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。在此類過程中，來源于強泵浦光場中的一個(或兩個)光子通過介質的χ⁽²⁾(χ⁽³⁾)非線性效應湮滅、并同時產生一對頻率分別為ω_s和ω_i的量子關聯光子對，通常這對光子被分別稱為信號光子和閑置光子。

自發光學參量過程可以由單頻激光泵浦，也可以由脈沖激光泵浦。由于采用脈沖激光泵浦可以定義量子態光場的產生時間，因而可以滿足獨立量子光源之間實現干涉所要求的同步條件，實現量子計算和量子糾纏交換等量子信息處理任務。本發明即針對脈沖激光泵浦的自發光學參量過程。

脈沖激光泵浦情況下，量子關聯光子對的時間模式特性以及收集效率是衡量其特性和質量的兩個重要因素。考察關聯光子對的時間模式特性，可以從描述光子對頻譜特性的聯合頻譜函數F(ω_s,ω_i)出發。F(ω_s,ω_i)正比于產生一對頻率分別為ω_s和ω_i的信號和閑置光子對的幾率振幅。將聯合頻譜函數進行施密特分解：F(ω_s,ω_i)＝∑r_kφ_k(ω_s)ψ_k(ω_i)(∑r_k²＝1)，即可得到光子對的平均模式數K＝1/∑r_k⁴。K越接近于1，表明關聯光子對越接近單模，即信號和閑置光子越接近變換極限。另外，在實踐中，關聯光子對的時間模式特性也可以采用信號或閑頻光場的二階相關函數g⁽²⁾來表征。以信號光場為例，g⁽²⁾與關聯光子對頻譜有如下關系：

其中，f_s(ω_s)表示信號光子通道的濾波器透射譜。根據Schwartz不等式，有g⁽²⁾≤2。一般地，光場的g⁽²⁾越接近于2，表明其越接近于單模，模式純度越高。

關聯光子對的收集效率是指，對于非線性介質中產生的每一對信號和閑置光子，經過各自濾波器后，兩者均被收集并輸出的概率。若一對光子中一個甚至兩個在濾波和收集過程中被散失，則會造成輸出關聯光子對的符合計數率(即信號光子通道和閑頻光子通道的探測器同時探測到光子的計數率)的下降，影響關聯光子對的亮度和背景噪聲。關聯光子對的收集效率可由信號或閑頻光子的條件收集效率來表征。以信號(閑置)光子的條件收集效率η_s(i)為例，其表示當一個閑置(信號)光子被成功收集后，其所對應的信號(閑置)光子被收集的概率，與關聯光子對頻譜有如下關系：