[發明專利]一種基于圓形空氣洞超構材料的糾纏光子對產生系統

有效

• 申請號: 202010574125.0
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111736405B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 李楊;董甜;何金澤;祁一凡
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出的一種基于圓形空氣洞超構材料的糾纏光子對產生系統，屬于量子信息領域。該系統包括圓形空氣洞超構材料、兩個窄帶連續可調諧激光器、兩個偏振控制器、分束器、光放大器、陷波濾波器、帶通濾波器、陣列波導光柵、單光子探測器和時間間隔分析儀。其中超構材料包括由多個帶有圓柱形空氣洞的介質單元構成的光波導，其橫截面僅為單周期結構，以及位于光波導兩側的光子帶隙結構，可實現超低損耗的零折射率性能；光波導可采用直線型或彎曲型光波導。本發明利用超低損耗的零折射率超構材料從物理上實現了量子糾纏光源，該光源具有高轉換效率帶寬大、集成度高和穩定性強的特性。

技術領域

本發明涉及量子信息技術領域，特別涉及一種基于圓形空氣洞超構材料的糾纏光子對產生系統。

背景技術

量子信息科學是量子力學與信息科學相結合的產物，利用量子力學系統可實現新形式的通信、計算和測量。兩個光子相互糾纏形成的糾纏光子對具有如下物理特性：當兩個光子互相糾纏，無論這兩個光子相距多遠，通過對其中一個光子的測量都可以在瞬時得到另一個光子的狀態。為了大規模的實現量子信息系統，亟需可靠、合算的糾纏光子源。進一步地，集成糾纏光子源可將光量子態的產生小型化并集成到芯片上，因此得到了長足的發展。

為了實現大規模的光學量子信息系統，亟需可靠、低成本的光學量子器件，特別是糾纏光子對產生系統。在集成量子光學中，產生糾纏光子的物理過程包括非線性材料中的參量過程(比如自發四波混頻)和具有光學活性的量子點中的雙激子-激子級聯。與量子點相比，非線性材料具有以下優點：糾纏度高、發射波長靈活、能在室溫下工作，因此取得了更為廣泛的應用。在眾多集成量子光學材料平臺中，絕緣硅因為其CMOS兼容性、高折射率差、高三階非線性、低自發拉曼散射噪聲，被廣泛應用于制備片上糾纏光子對產生系統。

基于絕緣硅實現糾纏光子對產生系統的常規結構包括微納波導和微環腔。微納波導通過設計其橫截面尺寸在一定帶寬內實現單模和近零群速度色散GVD，分別保證低傳輸損耗和自發四波混頻的相位匹配，從而在該帶寬內通過自發四波混頻產生糾纏光子對。微環腔通過設計其橫截面尺寸和周長，在一定帶寬內實現單模，并在該帶寬內一系列以自由光譜范圍FSR為間隔的離散頻率滿足自發四波混頻的相位匹配，從而在這些離散頻率通過自發四波混頻產生糾纏光子對。然而，由于微納波導和微環腔的工作機理，它們都存在高轉換效率帶寬、集成度、穩定性方面的不足，參見表1：

(1)高轉換效率帶寬有限。為了實現高轉換效率，必須實現低損耗和相位匹配。微納波導通過設計其橫截面尺寸，實現單模(低損耗)和近零群速度色散GVD(相位匹配)，從而通過延長滿足相位匹配的光物相互作用長度提高轉換效率。微納波導較低的波阻抗Z＝1/n_mode(n_mode為微納波導的模式折射率，微納波導的磁導率μ＝1)限制了其非線性折射率n₂＝3·Z·Re(χ⁽³⁾)/8(Re(χ⁽³⁾)表示微納波導三階非線性系數的實部)和相應的轉換效率。微環腔通過設計其橫截面尺寸和周長，在泵浦頻率附近的一系列以自由光譜范圍FSR為間隔的頻率處實現相位匹配(高轉換效率)，從而直接限制了高轉換效率帶寬的連續性。

(2)集成度低。為了減小微納波導和微環腔的彎曲損耗，必須確保其彎曲半徑大于特定值(對于工作波長1500nm、90°彎曲的單模絕緣硅條形波導，彎曲半徑大于5μm，彎曲損耗低于0.005dB)，從而限制了微納波導的靈活性。此外，因為微環腔的自由光譜范圍FSR與其周長成反比，微環腔的最小尺寸還受限于其可接受的最大FSR。

(3)穩定性低。因為微環腔的高Q值諧振對環境溫度變化非常敏感，所以需要反饋式溫控來保持其工作在諧振狀態。