CN106990641A - 一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法，包括以下步骤：采用由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构；利用脉冲激光对所述级联结构进行泵浦，通过级联结构中的级联自发参量过程产生量子关联光子对；所述量子关联光子对强度在不同波长处发生周期性的干涉相长和相消；干涉相长和相消对应的波长可通过改变色散介质的长度进行调谐；使用滤波和收集装置，将干涉相长所对应波长处的量子关联光子对进行收集和输出。本发明基于由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构，通过脉冲激光泵浦的级联自发参量过程，提高所产生量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法。
Description
技术领域
本发明属于光量子技术领域，具体涉及量子关联光子对的制备，以及以量子关联光子对为基础的纠缠光子和单光子的制备。
背景技术
量子关联光子对(简称关联光子对)是指在时间——能量自由度上具有量子关联特性的一对光子，是量子信息技术中的关键资源之一。基于关联光子对，不仅可以通过特定的相位匹配或后选择等技术，制备时间、频率、偏振等不同维度的纠缠光子，还可以利用光子对中一个光子的探测信号来宣布另一个光子的存在，制备宣布式单光子，从而满足量子信息技术的需求。
非线性介质中的自发参量过程是制备关联光子对的有效途径，已得到了广泛应用。常用的自发光学参量过程包括χ(2)二阶非线性介质中的自发参量下转换过程以及χ(3)三阶非线性介质中的自发四波混频过程。在自发参量下转换或自发四波混频过程中，来源于强泵浦光的一个或两个光子湮灭，同时产生一对量子关联光子对(也称为孪生光子对)。所产生的关联光子对通常分别称之为信号光子和闲频光子，在经过滤波和收集装置后，两者被分别输出。
非线性介质中的自发参量过程可使用连续激光或脉冲激光对非线性介质进行泵浦。与连续光相比，脉冲光具有峰值功率高、重复频率恒定等特点。对于脉冲光泵浦参量过程的量子关联光子对源，关联光子对的产生时间被精确限定在泵浦脉冲的持续时间内，有助于不同关联光子对源间的时间同步，从而实现独立光源间的量子干涉。被泵浦的非线性介质可以是块状介质(如块状非线性晶体)或波导介质(如光纤、具有波导结构的非线性晶体等)。对于块状介质，其产生的关联光子对通常不具有单一的空间模式，因而造成光子对的滤波和收集过程较为复杂；对于波导介质，可通过利用单模波导使产生的关联光子对具有单一的空间模式，从而为光子对的滤波和收集提供方便。
以下的背景技术说明以由高斯脉冲泵浦的单模光波导中的自发四波混频过程为例。该过程所产生的关联光子对可使用如下的联合频谱函数描述：
联合频谱函数F(ωs,ωi)正比于产生一对频率分别为ωs和ωi的信号和闲频光子对的几率振幅，可表示为泵浦脉冲包络函数(乘号前部分)和相位匹配函数(乘号后部分)的乘积。泵浦脉冲包络函数中的ωp为泵浦光的中心频率，σp为泵浦光的带宽，信号、闲频光子和泵浦光的波长与频率的关系为λj＝2πc/ωj(c代表光速)。相位匹配函数中的L为非线性介质长度，Δk＝ks+ki-2kp+2γPp为相位失配，kp、ks和ki分别代表泵浦、信号和闲频光子的传播常数，由非线性介质的色散决定，γ代表介质的非线性系数，Pp代表泵浦光的峰值功率。经过收集和滤波过程后，若使用fs(ωs)表示信号光子通道的滤波器透射谱，fi(ωi)表示闲频光子通道的滤波器透射谱，则关联光子对的频谱可以表示为fs(ωs)fi(ωi)F(ωs,ωi)。
关联光子对的时间模式特性以及收集效率是决定光子对特性和质量的两个重要因素，以下分别进行说明：
关联光子对的时间模式可以分解为一组相互正交的施密特模式的叠加：(∑jml＝1)，施密特模式|s>l|i>l对应的分解系数代表了该模式所占比例，模式分解结果即反映了关联光子对的时间模式特性。若定义光场的时间模式数K＝∑jml 2，当光场趋近于单模时，K趋近于1；当光场模式增加时，K趋近于无穷。在量子信息应用中涉及光子间相互作用的场合(如独立光子源间的量子干涉等)，为了达到较高的光子不可区分性，通常要求关联光子对模式数越少越好，也就是具有较高的模式纯度。
在实验中，关联光子对的时间模式特性可使用信号或闲频光场的二阶相关函数g(2)来表征，其与光场的模式数的关系为：K＝(g(2)-1)-1。g(2)取决于关联光子对的频谱，以信号光场为例，有：
根据Schwartz不等式，从上式可以得出g(2)≤2。g(2)越接近于2，表明光场越接近于单模，模式纯度越高
关联光子对的收集效率是指，对于非线性介质中产生的每一对信号和闲频光子，经过滤波等装置后，两者均被收集并输出的概率。若一对光子中一个甚至两个在滤波和收集过程中被散失，则会造成输出关联光子对的符合计数率(即信号光子侧和闲频光子侧的探测器同时探测到光子的计数率)的下降，影响关联光子对的亮度和纯度。在量子信息应用中，通常希望关联光子的收集效率越高越好。关联光子对的收集效率可由信号或闲频光子的条件收集效率来表征。信号(闲频)光子的条件收集效率ηs(i)与关联光子对频谱的关系为：
ηs(i)表示当一个闲频(信号)光子被成功收集后，其所对应的孪生光子被收集的概率。ηs(i)越接近100％，表明关联光子对的收集效率越高。
可以看出，关联光子对的时间模式特性以及收集效率主要取决于关联光子对的频谱特性以及相应的滤波和收集过程。对于普通的块状或波导非线性介质(如普通非线性晶体或常规光纤等)，由于色散条件所限，所产生的关联光子对频谱通常具有带宽较宽、频谱关联性较强的特点。在这种情况下，为了减少关联光子对的时间模式数、提高模式纯度，需要对其进行窄带滤波。而窄带滤波会造成光子收集损失，使关联光子对收集效率降低。若使用色散可控的非线性介质(例如周期极化的非线性晶体、光子晶体光纤等)并对其色散进行适当的控制，可以直接制备带宽较窄、频谱关联性较弱的关联光子对，从而在提高关联光子对模式纯度的同时，保持较高的关联光子对收集效率。然而，与普通介质相比，色散可控的非线性介质不仅制备工序更为复杂，而且需要精确控制介质的各项参数。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出基于由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构，通过脉冲激光泵浦的级联自发参量过程，提高所产生量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法，包括以下步骤：
采用由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构；
利用脉冲激光对所述级联结构进行泵浦，通过级联结构中的级联自发参量过程产生量子关联光子对；所述量子关联光子对强度在不同波长处发生周期性的干涉相长和相消；干涉相长和相消对应的波长可通过改变色散介质的长度进行调谐；
使用滤波和收集装置，将干涉相长所对应波长处的量子关联光子对进行收集和输出。
级联结构中的两段非线性介质是满足自发参量过程相位匹配条件的块状非线性介质或波导非线性介质，且两段非线性介质具有相同或相近的色散特性，以保证两者产生的量子关联光子对波长区域具有重叠。
所述色散介质是具有色散和透明度的固体介质、液体介质或气体介质。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明基于由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构，通过级联自发参量过程产生关联光子对。与单独采用一段普通块状或波导非线性介质的关联光子产生方法相比，本发明可提高关联光子对的时间模式纯度和收集效率。
(2)本发明使用的级联结构中，非线性介质为普通块状或波导介质，与色散可控介质(如周期极化非线性晶体或光子晶体光纤等)相比，具有制备工序相对简单、对色散参数起伏不敏感的特点。
附图说明
图1a和图1b分别是非级联与级联自发四波混频过程产生关联光子对的装置对比示意图。
图2a和图2b分别是非级联与级联自发四波混频过程所产生关联光子对的联合频谱函数(|F(ωs,ωi)|2)等高线图。
图3是基于级联自发四波混频过程的宣布式单光子源的示意图。
图4是基于级联自发四波混频过程的偏振纠缠光子对源的结构图。
图5是基于块状晶体中级联自发参量下转换的关联光子对源的结构图。
具体实施方式
本发明采用由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构，利用脉冲激光对级联结构进行泵浦，通过级联结构中的级联自发参量过程产生量子关联光子对；对于级联自发参量过程所产生的量子关联光子对，其强度在不同波长处发生周期性的干涉相长和相消；使用具有适当透射谱的滤波和收集装置，将干涉相长所对应波长处的量子关联光子对进行收集和输出；通过上述过程获得的量子关联光子对，与基于一段非线性介质的非级联自发参量过程所获得的量子关联光子对相比，在保持非线性介质总长度、脉冲激光参数、滤波和收集装置参数相同的情况下，其模式纯度和收集效率得到提高。
级联结构中的两段非线性介质是满足自发参量过程相位匹配条件的块状或波导非线性介质，且两者具有相同或相近的色散特性，以保证两者产生的量子关联光子对波长区域具有重叠。级联结构中的色散介质是具有一定色散和透明度的固体介质、液体介质或气体介质。量子关联光子对的强度发生干涉相长和相消的具体波长由级联结构中的色散介质的长度和色散值决定，可根据所需要的量子关联光子波长，选取具有适当参数的色散介质以及滤波和收集装置。
同样以背景技术部分所提到的高斯脉冲泵浦的单模光波导中的自发四波混频过程为例，若假设第一段非线性介质的相位失配为Δk1、长度为L1，第二段非线性介质的相位失配为Δk2、长度为L2,色散介质的相位失配为Δkd、长度为Ld,则级联结构输出的关联光子对频谱可以表示为：
上式中其它参数所代表的意义与非级联参量过程对应的关联光子对频谱公式(1)相同。
将公式(4)与公式(1)比较可以看出，由于级联结构中的色散介质引入了相位项iΔkdLd，第二段非线性介质中发生相位敏感的自发四波混频过程，使级联结构所输出的量子关联光子对的强度在不同波长处发生周期性的干涉相长或相消。干涉相长所对应波长处的关联光子对频谱带宽会变窄。若使用具有适当透射谱的滤波和收集装置将干涉相长所对应波长处的量子关联光子对进行收集和输出，与不加入色散介质且保持非线性介质总长度、脉冲激光参数、滤波和收集装置参数相同的情况相比，所输出的量子关联光子对的模式纯度和收集效率将会得到提高。
级联自发参量过程中干涉相长或相消的具体波长由色散介质所引入的相位iΔkdLd决定，亦即由其长度和色散值决定。因此在使用本方法时，可根据所需量子关联光子的波长选取具有适当参数的色散介质以及滤波和收集装置。
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。
实施例1:非级联与级联自发四波混频过程所产生关联光子对的特性比较
本实施例对色散位移光纤中的非级联自发四波混频过程与级联自发四波混频过程进行比较。通过对两种情况所产生关联光子对的时间模式和收集效率进行模拟计算，展示级联自发参量过程对关联光子对的时间模式和收集效率的提高作用。图1a和图1b所示为非级联与级联自发四波混频过程产生关联光子对的装置对比示意图。
在非级联自发四波混频情况中，如图1a所示，使用的非线性介质为600m长的色散位移光纤，利用脉冲光对其进行泵浦，通过自发四波混频过程产生关联光子对。在该过程中，来源于泵浦光的两个泵浦光子湮灭，同时产生一对具有量子关联特性的信号和闲频光子。利用光纤滤波器将信号光子、闲频光子与剩余泵浦光分离并输出。模拟计算中假设装置的主要参数为：色散位移光纤群速度零色散点1549nm、群速度色散斜率0.075ps/km/(nm)2；泵浦光为标准高斯频谱，中心波长1550nm、半最大全宽1.5nm；γPp取1km‐1；信号光子滤波通道为中心波长1555nm，带宽2.5nm的矩形带通滤波器，闲频光子滤波通道为中心波长1545nm，带宽2.5nm的矩形带通滤波器。通过将泵浦光、非线性介质参数代入至本说明书的公式(1)中，可以得到非级联自发四波混频过程所产生的关联光子对联合频谱函数F(ωs,ωi)。图2a所示为相应|F(ωs,ωi)|2的等高线图。通过将联合频谱函数F(ωs,ωi)以及相应的滤波器参数代入至公式(2)和(3)中，可以通过数值计算得到信号光场的g(2)为1.79，信号光子的条件收集效率ηs为70％。
在级联自发四波混频情况中，如图1b所示，使用的则是由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构，即两段300m色散位移光纤中间焊接了一段单模光纤。注意到本情况中色散位移光纤总长度同样为600m，且模拟计算中保持其它装置和参数与非级联情况相同。假设这里的单模光纤在1550nm处群速度为20ps/km/nm，长度为16.5m。通过将泵浦光、非线性介质参数代入至本说明书的公式(4)中，可以得到级联自发四波混频过程所产生的关联光子对联合频谱函数F(ωs,ωi)。图2b所示为相应|F(ωs,ωi)|2的等高线图。可以看到，级联自发四波混频过程所产生的信号(闲频)光子强度在1555nm(1545nm)处具有明显的干涉相长情况，而在该波长两侧则出现了干涉相消情况。这就使得信号和闲频光子在滤波器收集范围内的带宽变窄，从而有助于提高关联光子对的在模式纯度和收集效率。通过将相关参数代入至公式(2)和(3)中，得到级联自发四波混频过程对应的信号光场g(2)为1.87，条件收集效率ηs为87％。两者都较非级联情况为高，证实了关联光子对模式纯度和收集效率的提高。
现有技术中在非级联自发四波混频情况下，若要提高信号光场的g(2)，通常做法是减小滤波器的带宽，进行窄带滤波。对非级联情况进一步的模拟计算显示，若将信号光子滤波通道和闲频光子滤波通道的带宽由之前模拟中的2.5nm减小为1.9nm后，信号光场的g(2)可达到与之前级联情况下相同的数值，即1.87，但此时信号光子的条件收集效率ηs则下降为61％，大大低于级联情况下的收集效率87％。
进一步的，在本实施例级联自发四波混频情况中，单模光纤的长度是根据泵浦光和滤波器等参数选定的。选定过程的主要目标是引入适当的色散，使光子对干涉相长区域的中心波长与所用滤波器的中心波长基本重合。若加长单模光纤长度，信号(闲频)光子干涉相长区域的中心波长将会向短(长)波长方向移动，同时带宽变窄；若减小单模光纤长度，则会呈现相反的结果。因此在实际应用中，需要根据相应的参数和需求选定级联结构中色散介质的长度。
实施例2:基于级联自发四波混频过程的宣布式单光子源
本实施例的宣布式单光子源基于由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构，装置如图3所示。装置中的光纤和器件参数与实施例1相同。对于级联四波混频过程中产生的信号和闲频关联光子对，利用单光子探测器对闲频光子进行探测，将探测器的探测信号作为宣布信号，从而将信号光子投影到单光子态上，作为宣布式单光子源的输出。
如实施例1所指出，级联自发四波混频过程产生的关联光子对的模式纯度和收集效率都得到提高，这对宣布式单光子源具有重要意义。第一，模式纯度的提高意味着，当来源于独立光源的宣布式单光子间发生量子干涉时，干涉可见度的提高；第二，收集效率的提高意味着宣布式单光子源宣布效率的提高，即对于一个宣布信号，被宣布单光子存在概率的提高。
实施例3：基于级联自发四波混频过程的偏振纠缠光子对产生装置
本实施例采用双向泵浦的级联自发四波混频过程产生偏振纠缠光子对，其基本装置如图4所示。用于产生光子对的级联结构由一段色散位移光纤、一段单模光纤和一段色散位移光纤依次组成，光纤、泵浦光和滤波器参数与实施例1中的相应参数相同。
脉冲泵浦光以45度线偏振方向入射进偏振分束器，被分成两束。其中偏振方向平行于纸面的一束顺时针输入至级联结构，通过级联四波混频过程产生偏振方向与泵浦光相同的信号和闲频关联光子对(以|H>s|H>i表示)。而偏振方向垂直于纸面的一束逆时针输入至上述级联结构后，同样通过级联四波混频过程产生偏振方向与泵浦光相同的信号和闲频关联光子对(以|V>s|V>i表示)。通过控制级联结构所引入的偏振改变，使得顺时针和逆时针方向输出的剩余泵浦光和关联光子对在偏振分束器会合后，从相同的输出口输出。然后通过滤波器将信号和闲频光子与剩余泵浦光分开。由于相干叠加作用，滤波器输出的信号和闲频光子处于偏振纠缠态上。在此基础上，通过在控制两个过程所产生关联光子对的相位差和偏振态，还可得到偏振纠缠的四个Bell态。另外，可以通过采取措施降低光纤的温度(如将光纤浸入到液氮中)以抑制光纤产生的拉曼噪声光子。
偏振纠缠光子对的质量可以通过二阶强度干涉条纹的可见度V来反映，条纹的可见度越高，纠缠光子对的质量越好。通常有可见度V＝(CAR-1)/(CAR+1)，这里的CAR是光子对符合计数率与随机符合计数率比值。在不考虑噪声的情况下，有CAR＝ηsηiP-1，这里ηs(i)是信号(闲频)光子的条件收集效率，P为关联光子对每泵浦脉冲的产生率。假设P＝0.02，当ηs(i)＝87％时，根据以上关系，可以得到对应的条纹可见度V＝95％；而当ηs(i)＝61％时，对应的条纹可见度V＝90％。由此可见，通过使用上述级联结构可提高偏振纠缠光子对的收集效率(见实施例1)，进而偏振纠缠光子对的质量。
实施例4：基于块状晶体中级联自发参量下转换过程的关联光子对产生装置
本实施例通过脉冲光泵浦非线性介质——无增益介质——非线性介质的级联结构，通过级联自发参量下转换过程产生关联光子对。如图5的装置图所示，其中的非线性介质为0.5mm厚度的块状铌酸锂晶体，晶体切割满足参量下转换过程的第一类相位匹配，无增益介质为具有一定压强的二氧化碳气体。所产生的信号和闲频光子以及剩余泵浦光以不同角度从级联结构出射进自由空间，通过滤光片和孔阑将其滤出。由于所产生的光子空间模式不单一，在时间和空间模式上具有相长和相消的调制现象，因此相应的滤光片和孔阑需要选择合适的波长和位置。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构；
利用脉冲激光对所述级联结构进行泵浦，通过级联结构中的级联自发参量过程产生量子关联光子对；所述量子关联光子对强度在不同波长处发生周期性的干涉相长和相消；干涉相长和相消对应的波长可通过改变色散介质的长度进行调谐；
使用滤波和收集装置，将干涉相长所对应波长处的量子关联光子对进行收集和输出。
2.根据权利要求1所述一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法，其特征在于，级联结构中的两段非线性介质是满足自发参量过程相位匹配条件的块状非线性介质或波导非线性介质，且两段非线性介质具有相同或相近的色散特性，以保证两者产生的量子关联光子对波长区域具有重叠。
3.根据权利要求1所述一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法，其特征在于，所述色散介质是具有色散和透明度的固体介质、液体介质或气体介质。
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