[發(fā)明專利]基于PPKTP晶體的多模接收小型化糾纏源系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010931398.6
• 申請(qǐng)日: 2020-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN112130396B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周飛;張亞楠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 濟(jì)南量子技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G02F1/355
• 分類號(hào): G02F1/355;G02F1/35;G02F1/39
• 代理公司: 北京云嘉湃富知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11678
• 代理人: 程凌軍

本發(fā)明公開了一種基于PPKTP晶體的多模接收小型化糾纏源系統(tǒng)，其包括泵浦光源1、泵浦光傳輸模塊、糾纏裝置4、第一收集裝置5?1和第二收集裝置5?2。其中，第一收集裝置5?1和第二收集裝置5?2在結(jié)構(gòu)上不對(duì)稱。第一收集裝置5?1包括第一多模光纖、時(shí)間濾波單元6和空間濾波單元8，且所述時(shí)間濾波單元6位于所述空間濾波單元8前方。第二收集裝置5?2中包括空間濾波單元9和第二多模光纖。借助本發(fā)明，可以以精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地提供高偏振對(duì)比度、高亮度和品質(zhì)的糾纏光。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于PPKTP晶體的多模接收小型化糾纏源系統(tǒng)。

背景技術(shù)

量子糾纏的概念最早由薛定諤和著名的EPR佯謬提出，是近些年物理學(xué)和信息通信等學(xué)科的研究熱點(diǎn)。量子糾纏的特殊性質(zhì)使其在量子計(jì)算、量子保密通信、量子隱形傳態(tài)等方面具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。迄今為止，在腔QED、離子阱、量子點(diǎn)等體系中均可以產(chǎn)生糾纏態(tài)，但基于光學(xué)體系的糾纏態(tài)最容易實(shí)現(xiàn)高速率和高亮度，因而被廣泛應(yīng)用研究。

到目前為止，利用非線性晶體中的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)過(guò)程產(chǎn)生糾纏光子對(duì)是最成熟的方法，例如參見中國(guó)專利文獻(xiàn)CN201721027813.5和CN201110170177.2。SPDC是強(qiáng)泵浦光在非線性介質(zhì)中與量子真空噪聲導(dǎo)致的自發(fā)輻射進(jìn)行參量震蕩所產(chǎn)生的，即：一個(gè)高頻抽運(yùn)光子以某一概率自發(fā)地分裂為一對(duì)低頻的下轉(zhuǎn)換光子——信號(hào)光子、閑頻光子。后來(lái)，又出現(xiàn)了利用PPKTP(周期極化KTiOPO4)、PPLN(周期極化LiNbO3)等周期極化的非線性晶體和準(zhǔn)相位匹配技術(shù)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的方案，例如參考中國(guó)專利文獻(xiàn)CN201810955748.5。準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)是一種通過(guò)對(duì)光學(xué)晶體非線性極化率進(jìn)行周期性調(diào)制來(lái)補(bǔ)償由于折射率色散所造成的光波之間相位失配的技術(shù)。

傳統(tǒng)的非線性糾纏源的制備方法是通過(guò)硼酸鋇(BBO)非線性晶體進(jìn)行參量下轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)薄晶體和波片進(jìn)行橫向和縱向走離效應(yīng)的補(bǔ)償，產(chǎn)生較好的糾纏源。2004年麻省理工學(xué)院的科學(xué)家利用周期極化磷酸氧鈦鉀(PPKTP)晶體將糾纏源的亮度再次大幅度提升。在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用PPKTP晶體和Sagnac干涉環(huán)技術(shù)已經(jīng)使得糾纏源的亮度達(dá)到一個(gè)很佳的效果，近年來(lái)，基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的PPKTP晶體糾纏源已經(jīng)成為高亮度、高品質(zhì)糾纏源的一個(gè)絕佳選擇。

因此，現(xiàn)有技術(shù)陸續(xù)提出了一些基于PPKTP晶體的糾纏源系統(tǒng)。例如，在CN201810955748.5號(hào)中國(guó)專利中公開了一些糾纏源結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在“基于周期極化KTiOPO₄晶體的高亮度糾纏源研制”(物理學(xué)報(bào))中公開了一種基于PPKTP晶體的糾纏源結(jié)構(gòu)，其中提出在PPKTP晶體中產(chǎn)生偏振方向正交的一對(duì)參量光之后，利用雙色鏡和長(zhǎng)通濾波片將泵浦光與參量光分離，再利用PBS將參量光子對(duì)分離，并耦合至單模光纖中，并指出其亮度比傳統(tǒng)基于BBO晶體的糾纏光源可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，如圖2所示。在“基于百公里量子通信實(shí)驗(yàn)的可移動(dòng)式一體化糾纏源”中也公開了一種基于PPKTP晶體的糾纏源結(jié)構(gòu)，其中指出可以利用空間濾波和模式匹配技術(shù)將基于BBO晶體的糾纏源的亮度提高至1000cps/mw。但是，采用此方案的量子糾纏源系統(tǒng)仍然不能獲得滿意的偏振對(duì)比度和亮度，采用圖3所示的基于PPKTP晶體的糾纏源結(jié)構(gòu)可以將其亮度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的基于PPKTP晶體的偏振糾纏源系統(tǒng)在輸出光學(xué)性能(例如偏振對(duì)比度、亮度及品質(zhì)等)、性能穩(wěn)定性、以及經(jīng)濟(jì)性等方面存在不足，仍有待提高。

例如，現(xiàn)有糾纏源系統(tǒng)普遍采用單模接收糾纏光，但是單模光纖具有相對(duì)高的成本，且耗電多，怕彎曲，對(duì)熔接要求高，容易產(chǎn)生附加損耗，對(duì)清潔要求高；并且，現(xiàn)有技術(shù)在兩側(cè)收集裝置中采用完全對(duì)稱的器件結(jié)構(gòu)，這使得系統(tǒng)中器件數(shù)量較多，在一定程度上造成資源的浪費(fèi)。上述問(wèn)題尤其在實(shí)驗(yàn)和教學(xué)環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出光學(xué)性能不穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。同時(shí)，由收集裝置輸出的糾纏光在偏振對(duì)比度、亮度和品質(zhì)上仍有待提高。

發(fā)明內(nèi)容