CN110568693A - 一种预报单光子产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预报单光子产生系统及方法，其中系统包括高品质光学环形腔、PPKTP非线性晶体、偏振分束器、分色镜、滤光装置、反射镜模块、原子气泡和单光子探测器，其中，所述高品质光学环形腔由第一反射平凹镜、第二反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜构成，所述PPKTP非线性晶体和所述偏振分束器位于所述第一反射平凹镜和所述第二反射平凹镜之间的光路上，所述分色镜位于偏振分束器反射端之后的光路上，所述滤光装置和单光子探测器依次位于所述第二反射平凹镜之后的光路上，所述原子气泡位于所述第三反射平凹镜和第四反射平凹镜之间的光路上，所述反射镜模块用于反射控制光，且反射的控制光通过所述原子气泡。本发明可以在常温环境中和保障纯度的前提下提高预报单光子产率。
Description
技术领域
本发明涉及光量子信息技术领域，尤其涉及一种预报单光子产生系统及方法。
背景技术
单光子源是光量子信息处理的核心之一，其性能好坏直接影响到基于光子的量子通信和量子计算的能力。单光子产生有多种方法，包括光子阻塞法、非线性混频方法、腔量子电动力学方法和自发参量下转换方法(见Nature Photonics 5,628(2011))等。基于自发参量下转换的预报单光子源由于其光子全同性好、单光子纯度高、制备方式简单等优点一直是光量子信息技术中产生单光子的主流方法之一。使用该方法制备的单光子源除了单光子产生的几率小之外，在其它方面的特性接近完美(见Nature Nanotechnology 12,1026(2017))。已有的自发参量下转换方法产生预报单光子都存在提高产率与单光子纯度之间的内在矛盾。在自发参量下转换过程中，由于需要保障尽量只有一对参量光子产生，要求泵浦激光足够弱，这样多对光子产生的几率极低，结果导致预报单光子的产生率也偏低，这种低产率极大限制了其在光量子信息技术中的应用，如何在原理上解决该方法中单光子产生的高纯度与高产率之间的内禀矛盾是扩展其应用的关键所在，甚至可以开拓许多前所未有的领域。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种预报单光子产生系统及方法，利用光子阻塞效应解决自发参量下转换预报单光子产生中高纯度与高产率的矛盾，可以在常温环境中和保障纯度的前提下提高预报单光子产率。
技术方案：本发明所述的预报单光子产生系统包括高品质光学环形腔、PPKTP非线性晶体、偏振分束器、分色镜、滤光装置、反射镜模块、原子气泡和单光子探测器，其中，所述高品质光学环形腔由第一反射平凹镜、第二反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜构成，所述PPKTP非线性晶体和所述偏振分束器位于所述第一反射平凹镜和所述第二反射平凹镜之间的光路上，所述分色镜位于偏振分束器反射端之后的光路上，所述滤光装置和单光子探测器依次位于所述第二反射平凹镜之后的光路上，所述原子气泡位于所述第三反射平凹镜和第四反射平凹镜之间的光路上，所述反射镜模块用于反射控制光，且反射的控制光通过所述原子气泡。
进一步的，泵浦光从所述第一反射平凹镜的平面射入，所述第一反射平凹镜和所述第二反射平凹镜的凹面和平面均镀有泵浦光增透膜，所述第一反射平凹镜、第二反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜的凹面均镀有闲频光反射膜，平面均镀有闲频光增透膜，所述第一反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜凹面镀的闲频光反射膜反射率相同，且大于所述第二反射平凹镜的凹面镀的闲频光反射膜的反射率数值。
进一步的，所述PPKTP非线性晶体用于生成一对偏振正交的参量光，即闲频光和信号光，所述PPKTP非线性晶体前后两个端面都镀有泵浦光增透膜和参量光增透膜。所述PPKTP非线性晶体具体为具有畴周期反转结构的II型准相位匹配的PPKTP非线性晶体。
进一步的，所述偏振分束器反射泵浦光和信号光，透射闲频光，所述偏振分束器的前后两个端面均镀有泵浦光增透膜和参量光增透膜。所述分色镜反射泵浦光，透射信号光。所述滤光装置用于滤除散射到闲频光中的控制光。所述原子气泡具体为N能级型原子气泡。
进一步的，所述反射镜模块包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜形成的轴线与原子气泡和高品质光学环形腔的轴线成3-5度角，且使得反射的控制光通过所述原子气泡。
本发明所述的预报单光子产生方法包括：
步骤1：采用第一反射平凹镜、第二反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜构成光学环形腔；
步骤2：将泵浦光通过所述第一反射平凹镜的平面正入射；
步骤3：在第一反射平凹镜之后放置PPKTP非线性晶体，入射的泵浦光通过PPKTP非线性晶体时产生自发参量下转换过程，控制泵浦光强度和脉冲长度，以接近于1的概率生成一对偏振正交的参量光子，即闲频光子和信号光子；
步骤4：在PPKTP非线性晶体之后放置偏振分束器，偏振分束器将垂直偏振的泵浦光和PPKTP非线性晶体射出的参量光中的垂直偏振的信号光反射出去，将水平偏振的闲频光透射出去；
步骤5：第二反射平凹镜将通过PPKTP非线性晶体、偏振分束器的闲频光经第三反射平凹镜、第四反射平凹镜反射回至第一反射平凹镜，形成稳定腔模式；闲频光腔模式通过第二反射平凹镜透射出去；
步骤6：在第三反射平凹镜和第四反射平凹镜之间的闲频光光路上放置原子气泡，并采用反射镜将控制光反射通过原子气泡，诱导闲频光产生强克尔光学非线性效应；
步骤7：在偏振分束器的反射端后放置分色镜，分色镜将泵浦光反射出去，将信号光透射出去；
步骤8：在第二反射平凹镜后放置滤光装置，滤光装置滤除散射到闲频光中的控制光；
步骤9：在滤光装置后放置单光子探测器，在触发信号光的条件下，采用单光子探测器对闲频光光子做测量，测量成功则得到预报单光子。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：在常温下，本发明通过在环形光学腔中加入原子气泡诱导闲频光量子阻塞效应压制了多对光子产生的事例(见图3和4)，在增加泵浦光功率提高预报单光子产率的同时(见图3和图4)保证了单光子的纯度(见图5)，解决了制约自发参量下转换制备预报单光子中提高产率和高纯度的矛盾。强泵浦光条件下，非线性光子阻塞(见图4)导致产生多对光子的事例远小于没有光子阻塞时的情形(见图3)，参量单光子对产率远高于后者，产生的预报单光子纯度也优于没有非线性阻塞的情形(见图5)。
附图说明
图1是本发明提供的的预报单光子产生系统一个实施例的结构框图；
图2是腔模式、控制光与N型原子耦合能级图；
图3是没有量子阻塞效应时Fock态|ni,ns>布居随泵浦效率的演化图；
图4是存在量子阻塞效应时Fock态|ni,ns>布居随泵浦效率的演化图；
图5是二阶关联函数g2(0)随泵浦功率的变化图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种预报单光子产生系统，如图1所示，包括高品质光学环形腔、PPKTP非线性晶体2、偏振分束器3、分色镜4、滤光装置5、反射镜模块、原子气泡7和单光子探测器8。下面对各器件分别进行详细描述。
高品质光学环形腔由第一反射平凹镜1-1、第二反射平凹镜1-2、第三反射平凹镜1-3和第四反射平凹镜1-4构成，具有两个束腰。第一反射平凹镜1-1和第二反射平凹镜1-2的凹面和平面均镀有泵浦光增透膜，透射率大于99.5％，因此，可以几乎没有损失的透过泵浦光；四个平凹镜的凹面均镀有闲频光反射膜，第一反射平凹镜1-1、第三反射平凹镜1-3和第四反射平凹镜1-4凹面镀的闲频光反射膜反射率相同，皆大于99.9％，第二反射平凹镜1-2的凹面镀的闲频光反射膜的反射率为96％-98％，略小于其他平凹镜，四个平凹镜平面均镀有闲频光增透膜，透射率大于99.8％。
PPKTP非线性晶体2具体为具有畴周期反转结构的II型准相位匹配的PPKTP非线性晶体，位于第一反射平凹镜1-1和第二反射平凹镜1-2之间的光路上，泵浦光从第一反射平凹镜1-1的平面正入射，PPKTP非线性晶体2通过自发参量下转换过程产生频率相同、偏振正交的参量光，即闲频光和信号光。PPKTP非线性晶体2前后两个端面2-1、2-2都镀有泵浦光和参量光增透膜，泵浦光增透膜透射率大于99.5％，参量光增透膜透射率大于99.8％。PPKTP非线性晶体2产生的闲频光可以被高品质光学环形腔的四个平凹镜反射形成稳定的光学腔模式，待该模式形成后，腔内闲频光模式通过第二反射平凹镜1-2透射出去。
偏振分束器3位于PPKTP非线性晶体2之后，用于反射泵浦光和信号光，透射闲频光，偏振分束器3的前后两个端面3-1、3-2均镀有泵浦光和参量光增透膜，泵浦光增透膜透射率大于99.5％，参量光增透膜透射率大于99.8％。
原子气泡7位于第三反射平凹镜1-3和第四反射平凹镜1-4之间的光路上，具体为铷原子玻璃气泡，周围包裹高磁导的磁屏蔽材料如mu金属，原子气泡7的前后两个端面7-1、7-2镀有闲频光增透膜，透射率大于99.8％，使得闲频光可以近乎无损通过端面进出原子气泡7，反射镜模块包括第一反射镜6-1和第二反射镜6-2，反射率大于99.8％，第一反射镜6-1和第二反射镜6-2的形成的轴线与原子气泡7和高品质光学环形腔的轴线成小角度(3-5度)，即让控制光与原子气泡7和高品质光学环形腔的束腰成3-5度小角度通过原子气泡7，控制光束腰要大于高品质光学环形腔在原子气泡7中的束腰。通过调节原子气泡7温度控制原子气体密度，控制光与原子失谐等参量实现光克尔非线性远大于光学腔衰减率即线宽实现量子光子阻塞，即闲频光的强自克尔非线性，从而抑制PPKTP非线性晶体2自发参量下转换过程中多对光子的产生。控制泵浦光时间长度和功率达到参量光子对高几率产生。控制光与闲频光同向通过原子气泡7，还可以消除原子随机热运动引起的微观多普勒效应。
分色镜4位于偏振分束器反射端之后的光路上，滤光装置5和单光子探测器8则依次位于第二反射平凹镜1-2之后的光路上。分色镜4反射偏振分束器反射端射出的泵浦光，透射偏振分束器反射端射出的信号光，将泵浦光从出射的信号光中分离。滤光装置5用于滤除散射到闲频光中的控制光。在触发信号光的条件下，采用单光子探测器8对滤光装置5射出的闲频光光子做测量，测量成功则得到预报单光子。
本实施例还公开了一种预报单光子产生方法，该方法基于上述系统，具体包括：
步骤1：采用第一反射平凹镜1-1、第二反射平凹镜1-2、第三反射平凹镜1-3和第四反射平凹镜1-4构成光学环形腔；
步骤2：将泵浦光通过所述第一反射平凹镜1-1的平面正入射；泵浦光选用397.5nm脉冲泵浦光；
步骤3：在第一反射平凹镜1-1之后放置PPKTP非线性晶体2，入射的泵浦光通过PPKTP非线性晶体时产生自发参量下转换过程大概率生成一对偏振正交的参量光子，即闲频光子和信号光子，波长为795nm；因此，器件上镀的泵浦光增透膜为397.5nm透射，参量光反射膜、参量光增透膜为795nm的反射和透射；
步骤4：在PPKTP非线性晶体2之后放置偏振分束器3，偏振分束器3将垂直偏振的泵浦光和PPKTP非线性晶体1射出的参量光中的垂直偏振的信号光反射出去，将水平偏振的闲频光透射出去；
步骤5：第二反射平凹镜1-2将经过PPKTP非线性晶体2、偏振分束器3的闲频光经第三反射平凹镜1-3、第四反射平凹镜1-4反射回至第一反射平凹镜1-1，形成稳定腔模式，之后每一次循环都会将少量闲频光透射出去；
步骤6：在第三反射平凹镜1-3和第四反射平凹镜1-4之间的闲频光光路上放置原子气泡7，并采用反射镜模块6将控制光反射通过原子气泡7，诱导闲频光产生强克尔光学非线性效应；原子气泡7具体为铷原子玻璃气泡；
步骤7：在偏振分束器反射端后放置分色镜4，分色镜4将泵浦光反射出去，将信号光透射出去；
步骤8：在第二反射平凹镜后放置滤光装置5，滤光装置5滤除散射到闲频光中的控制光；
步骤9：在滤光装置5后放置单光子探测器8，在触发信号光的条件下，采用单光子探测器8对闲频光光子做测量，成功检测到闲频光子则得到预报单光子。
其中，N型能级系统涉及到的铷原子D1线能级安排是，|1>＝|52S1/2，F＝3，mF＝-3>，|2>＝|52S1/2，F＝3，mF＝-2>，|3>＝|52P1/2，F′＝3，m′F＝-3>，|4>＝|52P1/2，F’＝3，m′F＝-2>。
闲频光是水平偏振，如图2所示，耦合两个跃迁1到3和2到4，左旋圆偏振控制光耦合跃迁2到3。在如此安排下，在保证信号光单光子纯度大于95％的情形下，单光子产生几率将比现有自发参量下转换方法提高几个量级，可大于80％，见图3和图4。图3为没有量子阻塞效应时Fock态|ni，ns>布居随泵浦效率的演化，归一化泵浦功率增加，多对光子事例快速增加，当归一化泵浦功率高于5时，单光子对成份很小，低于0.05。图4为存在量子阻塞效应时Fock态|ni，ns>布居随泵浦效率的演化，其中克尔非线性系数η与有效泵浦功率P的优化关系为：η＝P，多对光子事例被极大压制，发生几率很小，但是参量光子对几率很高，可以高于0.8。图5为二阶关联函数g2(0)随泵浦功率的变化。泵浦功率比较高时，没有量子阻塞的系统产生的单光子纯度很低，g2(0)接近于2，有量子阻塞的系统单光子纯度很高，g2(0)＜＜1。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例采用的原子气泡7为铯原子气泡。采用铯原子D1线阻塞闲频光，那么相应的泵浦激光波长需要选择为447.3nm，为泵浦光镀的增透膜也要选在447.3nm处。产生的信号光和闲频光为894.6nm，为信号光和闲频光镀的膜也要选在894.6nm处。涉及到的铯原子跃迁能级为|1>＝|62S1/2，F＝4，mF＝-4>，|2>＝|62S1/2，F＝4，mF＝-3>，|3>＝|62P1/2，F’＝4，m′F＝-4>和|4>＝|62P1/2，F’＝4，m′F＝-3>。894.6nm的闲频光耦合两个跃迁1到3和2到4，波长为894.6nm的左旋圆偏振控制光耦合跃迁2到3。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例采用的原子气泡7为金刚石中硅色心缺陷。在此实施中，固态金刚石膜需要冷却到4K低温，带一个负电荷的硅色心缺陷充当N型能级系统。与示例2类似，泵浦光波长需要调到369nm，通过PPKTP晶体产生的信号光和闲频光波长为738nm，相应的增透膜和反射膜工作波长也要调整到369nm和738nm。涉及的硅色心缺陷对应跃迁能级为|1>＝|eg-，↓>，|2>＝|eg+，↑>，|3>＝|eu-，↓>和|4>＝|eu+，↑>。738nm的水平偏振闲频光耦合两个跃迁1到3和2到4，波长为738nm的右旋圆偏振控制光耦合跃迁2到3。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种预报单光子产生系统，其特征在于：包括高品质光学环形腔、PPKTP非线性晶体、偏振分束器、分色镜、滤光装置、反射镜模块、原子气泡和单光子探测器，其中，所述高品质光学环形腔由第一反射平凹镜、第二反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜构成，所述PPKTP非线性晶体和所述偏振分束器位于所述第一反射平凹镜和所述第二反射平凹镜之间的光路上，所述分色镜位于偏振分束器反射端之后的光路上，所述滤光装置和单光子探测器依次位于所述第二反射平凹镜之后的光路上，所述原子气泡位于所述第三反射平凹镜和第四反射平凹镜之间的光路上，所述反射镜模块用于反射控制光，且反射的控制光通过所述原子气泡。
2.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：泵浦光从所述第一反射平凹镜的平面射入，所述第一反射平凹镜和所述第二反射平凹镜的凹面和平面均镀有泵浦光增透膜，所述第一反射平凹镜、第二反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜的凹面均镀有闲频光反射膜，平面均镀有闲频光增透膜，所述第一反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜凹面镀的闲频光反射膜反射率数值相同，且大于所述第二反射平凹镜的凹面镀的闲频光反射膜的反射率数值。
3.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：所述PPKTP非线性晶体用于生成一对偏振正交的参量光，即闲频光和信号光，所述PPKTP非线性晶体前后两个端面都镀有泵浦光和参量光增透膜。
4.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：所述PPKTP非线性晶体具体为具有畴周期反转结构的II型准相位匹配的PPKTP非线性晶体。
5.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：所述偏振分束器反射具有相同偏振的泵浦光和信号光，透射闲频光，所述偏振分束器的前后两个端面均镀有泵浦光和参量光增透膜。
6.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：所述分色镜反射泵浦光，透射信号光。
7.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：所述滤光装置用于滤除散射到闲频光中的控制光。
8.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：所述反射镜模块包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜的形成的轴线与原子气泡和高品质光学环形腔的轴线成3-5度角，且使得反射的控制光通过所述原子气泡。
9.根据权利要求1所述的预报单光子产生系统，其特征在于：所述原子气泡具体为N能级型原子气泡。
10.一种预报单光子产生方法，其特征在于包括：
步骤1：采用第一反射平凹镜、第二反射平凹镜、第三反射平凹镜和第四反射平凹镜构成光学环形腔；
步骤2：将泵浦光通过所述第一反射平凹镜的平面正入射；
步骤3：在第一反射平凹镜之后放置PPKTP非线性晶体，入射的泵浦光通过PPKTP非线性晶体时产生自发参量下转换过程，控制泵浦光强度和脉冲长度，以接近于1的概率生成一对偏振正交的参量光子，即闲频光子和信号光子；
步骤4：在PPKTP非线性晶体之后放置偏振分束器，偏振分束器将垂直偏振的泵浦光和PPKTP非线性晶体射出的参量光中的垂直偏振的信号光反射出去，将水平偏振的闲频光透射出去；
步骤5：第二反射平凹镜将经PPKTP非线性晶体、偏振分束器的闲频光经第三反射平凹镜、第四反射平凹镜反射回至第一反射平凹镜，形成稳定腔模式；闲频光腔模式通过第二反射平凹镜透射出去；
步骤6：在第三反射平凹镜和第四反射平凹镜之间的闲频光光路上放置原子气泡，并采用反射镜将控制光反射通过原子气泡，诱导闲频光产生强自克尔光学非线性效应；
步骤7：在偏振分束器的反射端后放置分色镜，分色镜将泵浦光反射出去，将信号光透射出去；
步骤8：在第二反射平凹镜后放置滤光装置，滤光装置滤除散射到闲频光中的控制光；
步骤9：在滤光装置后放置单光子探测器，在触发信号光的条件下，采用单光子探测器对闲频光光子做测量，测量成功则得到预报单光子。
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