[發明專利]非線性光子晶體的雙光子頻率和離散路徑超糾纏產生方法

有效

• 申請號: 202010464997.1
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111562708B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 息朝祥;丁譯洲;何廣強
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35;G02F1/355
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 劉翠

本發明提供了一種基于非線性光子晶體的雙光子頻率和多對離散路徑的超糾纏產生方法，泵浦光沿著正z方向正入射至非線性光子晶體表面，經過相互作用后生成信號光和閑置光，信號光和閑置光滿足頻率和多對離散路徑的超糾纏關系。該非線性光子晶體選用具有二維結構、室溫、Ι類相位匹配(e→o+o)條件下的5％氧化鎂(MgO)摻雜的鈮酸鋰(LiNbO₃)晶體。對本發明提供的非線性光子晶體及其雙光子頻率和多對離散路徑的超糾纏產生方法進行仿真，驗證本發明可以產生最大糾纏態且其他參量過程被有效抑制，生成質量較高的超糾纏態。

技術領域

本發明涉及量子糾纏生成技術領域的非線性光子晶體設計技術，具體地，涉及一種二維非線性光子晶體及其雙光子頻率和多對離散路徑超糾纏產生方法，是一種二維非線性光子晶體及其直接產生雙光子頻率和多對離散路徑超糾纏的設計方案。

背景技術

量子糾纏是量子世界的一個重要特征，它描述的是粒子或粒子組之間的、不受距離限制的一種關聯特性。量子糾纏對于量子信息處理中的許多應用都是必不可少的量子資源，它被廣泛地用于量子密鑰分發、量子隱形傳態、量子糾纏交換和中繼、量子精密計量等方面。

超糾纏是一種高維量子糾纏，指的是粒子或粒子組之間在兩個及兩個以上的維度上的同時量子糾纏。相比于普通的量子糾纏源，超糾纏源的用途更大，它可以實現四種貝爾態的完整區分，實現單光子雙量子比特CNOT門，實現雙量子比特交換門等。除此之外，超糾纏還可以提高許多量子應用的性能，例如實現更安全的量子密鑰分發、實現超密集編碼等。

2002年，M.Genovesea和C.Novero設計了偏振和時間的超糾纏源；2003 年，陳增兵教授等人設計了偏振和路徑的超糾纏源；2019年浦項科技大學團隊實驗制備了光子軌道角動量和偏振的超糾纏源。

有效產生糾纏的標準技術是在非線性介質的二階非線性極化系數的作用下產生自發參量下轉換(Spontaneous parametric down-conversion,SPDC)過程。自發參量下轉換是指二階非線性光子晶體中泵浦光(頻率為ω_P)和非線性晶體相互作用生成信號光(頻率為ω_S)和閑置光(頻率為ω_I)的非線性參量過程，它在1970 年由Burnham和Weinberg兩位科學家首次發現。由于非線性光子晶體中二階非線性極化系數χ⁽²⁾非常小，所以為了保證光學自發參量下轉換過程的轉化效率，輸入泵浦光的強度應足夠大。在二階非線性晶體中，泵浦光子按一定的概率和二階非線性光子晶體發生相互作用，而后泵浦光子湮滅，產生新的信號光子和閑置光子，其中信號光子和閑置光子的能量來自于湮滅的泵浦光子。自發參量下轉換過程的實現必須需要滿足能量守恒條件(ω_P＝ω_S+ω_I)，不是必須滿足動量守恒條件當動量守恒條件不完全滿足時，自發參量下轉換過程也可以實現，只是效率特別低，只有當動量守恒條件完全滿足時，也就是非線性參量過程具有完美相位匹配時，自發參量下轉換過程的轉換效率才會達到最大。目前光學自發參量下轉換過程是制備光子糾纏源的主要方法，主要是因為它穩定，生成的光信號強度高，且生成的光子對具有糾纏特性。

準相位匹配(Quasi-phase matching)是一種通用的解決相位匹配條件的方法，可以很好地解決SPDC過程的相位匹配問題。準相位匹配的思想是通過調節非線性光子晶體的結構使其非線性耦合系數周期變化。在一塊非線性晶體上，根據晶體的位置周期性反轉晶體的光軸，這樣晶體的非線性耦合系數也隨著晶體位置周期性反轉，這個過程也被稱作為晶體的周期性極化，周期性極化的晶體可以補償參量過程非零的波矢量適配量因此該方法可以有效地增加參量過程的效率。

但是，現有技術不曾設計雙光子頻率和路徑超糾纏源，更未曾利用二維非線性光子晶體直接構造出雙光子頻率和多對離散路徑的超糾纏源。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的上述不足，提供了一種二維非線性光子晶體及其雙光子頻率和多對離散路徑超糾纏產生方法。