[發(fā)明專利]高效率預(yù)報單光子及幾率性預(yù)報多光子態(tài)的系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112526796A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐江山;吳浩東;葛士軍
• 申請（專利權(quán)）人: 南京南輝智能光學(xué)感控研究院有限公司;南京南輝量光光電科技有限公司
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明專利涉及一種利用光子數(shù)態(tài)可分辨檢測來高效率預(yù)報單光子和幾率性預(yù)報多光子態(tài)的方法及系統(tǒng)，該方法不僅可以顯著提高單光子的預(yù)報效率，還可以幾率性預(yù)報高純度多光子態(tài)。系統(tǒng)由泵浦脈沖激光，高品質(zhì)光學(xué)腔，和光子數(shù)態(tài)可分辨檢測器構(gòu)成。泵浦脈沖激光通過PPKTP晶體產(chǎn)生成對參量光子，通過偏振分束器分離。由于信號光與閑頻光總是成對產(chǎn)生，當(dāng)檢測器檢測到單光子，則意味著信號光模式獲得了高品質(zhì)單光子，極大提高了單光子的預(yù)報效率及純度。當(dāng)檢測器檢測到N光子，則意味著在信號模式獲得了高品質(zhì)N光子態(tài)。由于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生N光子態(tài)的概率與泵浦功率N次方成正比，因此增大泵浦功率，可以實現(xiàn)幾率性預(yù)報多光子態(tài)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光量子信息技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光子數(shù)態(tài)可分辨檢測來高效率預(yù)報單光子和幾率性預(yù)報多光子態(tài)的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

確定性生成高純度可分辨的單光子一直是可拓展量子信息技術(shù)的關(guān)鍵。高純度的單光子源是量子通信、量子測量、以及量子計算的核心組成部件。在過去幾十年間，各種各樣的方法被提出來實現(xiàn)單光子源，包括：光子阻塞、四波混頻、腔量子電動力學(xué)、和自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換等。其中，基于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的預(yù)報單光子源一直是光量子信息技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的單光子生成方法。這種方法通過脈沖泵浦非線性晶體，產(chǎn)生一對關(guān)聯(lián)的光子，其在不可分辨性、制備工藝、可拓展性上展示出了完美的性能。但是，這種預(yù)報單光子源對泵浦功率有一個嚴(yán)格的限制，要求功率必須足夠的小來保證參量下轉(zhuǎn)換過程中多光子對的發(fā)射事件可以忽略。一旦增加泵浦功率，多光子對的產(chǎn)生概率也會逐漸增加，最終導(dǎo)致錯誤預(yù)報單光子的概率也隨之提高。準(zhǔn)確預(yù)報光子數(shù)態(tài)，不僅能提高預(yù)報單光子源的性能，而且能實現(xiàn)預(yù)報多光子態(tài)。這能極大促進(jìn)光量子信息技術(shù)的發(fā)展，甚至能打開許多前所未有的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明針對目前預(yù)報單光子源存在一定誤報率的問題，提供一種利用光子數(shù)態(tài)可分辯檢測來提高預(yù)報單光子的效率，同時可以實現(xiàn)幾率性預(yù)報多光子態(tài)的系統(tǒng)及方法。在高泵浦脈沖激發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號-閑頻光子對之后，利用光子數(shù)態(tài)可分辯檢測器在閑頻光路檢測光子數(shù)態(tài)，從而極大提高閑頻光路的單光子預(yù)報效率，同時可以保持高純度。進(jìn)一步的，由于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的性質(zhì)，產(chǎn)生N光子對的概率與泵浦功率的N次方有關(guān)，而光子數(shù)態(tài)可分辨檢測器不僅可以檢測單光子信號，還可以準(zhǔn)確檢測多光子信號。因此，本發(fā)明同時還可以幾率性的預(yù)報多光子態(tài)。系統(tǒng)見圖1。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

利用兩個反射平凹鏡1-1，1-2構(gòu)成一套高品質(zhì)光學(xué)腔。

將一塊具有疇周期反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的II型準(zhǔn)相位匹配的PPKTP非線性晶體2置于光學(xué)腔中，用一個波形、時間長度和功率可調(diào)的泵浦激光泵浦PPKTP晶體誘發(fā)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生一對參量光即一個閑頻光和一個信號光。

泵浦激光通過鍍有增透膜的鏡子1-1入射，并通過同樣鍍有增透膜的PPKTP晶體兩端2-1和2-2，然后通過鍍有增透膜的鏡子1-2出射。

閑頻光和信號光通過具有低反射率的鏡子1-2出射。

泵浦激光與信號光和閑頻光被一分色鏡3分離。

閑頻光與信號光偏振正交。信號光通過偏振分束器4反射導(dǎo)出。

閑頻光通過一個光子數(shù)態(tài)可分辯檢測器5檢測。

光子數(shù)態(tài)可分辨檢測器5用來分辨出射的閑頻模式的光子數(shù)態(tài)，如果檢測的是單光子，即意味著信號光路獲得了高品質(zhì)的單光子，如果檢測的是N（N 1）光子，即意味著信號光路獲得了高品質(zhì)的N光子。