CN111830629B - 光子芯片上实现可扩展量子光源的方法 - Google Patents
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Abstract
一种光子芯片上实现可扩展量子光源的方法，通过探测器采集飞秒激光系统的工况信息并输出至反馈系统，反馈系统通过范围识别得到激光加工的当前位置信息；当识别到的位置信息偏离出预设的范围时，反馈系统将向锁定系统输出控制指令，锁定系统开始启动，对加工光路处理直到实时反馈的激光加工位置保持在预设范围内；信息输出至直写系统，直写系统在光子集成芯片中通过飞秒激光直写单次扫描加工出数百个高度全同性能稳定可扩展的量子光源阵列。本发明实现大于90％不可分辨度的可扩展量子光源，具有高度的全同性且性能更加稳定，可实现在芯片的不同位置刻写量子光源波导。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种量子计算领域的技术，具体是一种光子芯片上实现可扩展量子光源的方法。
背景技术
由于量子叠加特性所赋予的并行处理能力，量子技术在多个领域都超越了经典性能的上限，发挥着越来越重要的作用。光子集成芯片提供了一种以物理可扩展方式构建大规模量子系统的方法，其中独立量子光源的可扩展产生和高可见度干涉是量子系统可相干扩展的关键。目前的技术无法得到多个在光谱信息、亮度、纯度等方面都相同的量子光源，因而无法实现可扩展、可重构的稳定量子光源。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种光子芯片上实现可扩展量子光源的方法，通过主动调控飞秒激光直写中光与物质的相互作用，实现了大于90％不可分辨度的可扩展量子光源，具有高度的全同性且性能更加稳定，可实现在芯片的不同位置刻写量子光源波导。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种光子芯片上实现可扩展量子光源的方法，通过探测器采集飞秒激光系统的工况信息并输出至反馈系统，反馈系统通过范围识别得到激光加工的当前位置信息。当识别到的位置信息偏离出预设的范围时，反馈系统将向锁定系统输出控制指令，锁定系统开始启动，对加工光路处理直到实时反馈的激光加工位置保持在预设范围内。信息输出至直写系统，直写系统在光子集成芯片中通过飞秒激光直写单次扫描加工出数百个高度全同性能稳定可扩展的量子光源阵列。
所述的探测器将探测到的信号转换为电信号并输出至反馈系统。
所述的工况信息包括：温度、湿度、激光功率、重复频率、速度、激光指向精度。
所述的反馈系统，包括：信号识别单元、信号判断及信号输出单元，其中：信号识别单元对探测器探测转化成的电信号进行识别，高于设定阈值的信号将被传输至信号判断单元，否则将被认为是噪声而被滤除。信号判断单元对接收到的信号与设定范围进行比较，将判断信息输出至信号输出单元；信号输出单元根据判断过的信息是否超出预设范围并对锁定系统输出是/否运行的指令。
所述的锁定系统，包括：开关、集成电路单元、压电陶瓷以及镜片组，其中：开关根据反馈系统中信号输出单元的结果进行开/关，当超过预设范围需要开启锁定系统时，开关打开。集成电路与压电陶瓷相连并控制镜片组对加工位置信息进行实时调控，调整后的工况信息将再次被探测器探测，经反馈系统判定是否需要开启锁定系统进行调节，如需要则继续循环上述过程，否则加工信息已被调节好并被锁定，可以进行后续直写加工过程。
所述的直写系统，包括：飞秒激光器、衰减器、极化控制单元、反射镜、直写镜头、平移台、控制模块。其中：飞秒激光器发出激光，经衰减器对加工功率进行调节，随后经过极化控制单元调控直写激光的偏振信息。调节后的激光加工工况信息随后经过探测器、反馈系统和锁定系统稳定后经反射镜输出至直写镜头，控制模块控制平移台按照预先设定好的参数进行移动。
所述的飞秒激光直写是指：采用脉冲中心位于513nm的飞秒激光，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.7的透镜将飞秒激光聚焦在作为光子集成芯片表面以下75μm附近，在同一深度通过单次扫描加工出全同可扩展的源波导，即量子光源阵列。
所述的飞秒激光直写，直写功率采用但不限于260mw。
所述的飞秒激光直写，直写速度采用但不限于1.268mm/s。
所述的飞秒激光直写，直写深度采用但不限于表面以下75μm处。
所述的扫描，其次数采用但不限于一次。
所述的光子集成芯片，采用但不限于透明的熔融石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或其他材料制成。
所述的量子光源阵列位于玻璃表面以下75μm，具体为若干根直波导结构组成，在接近上表面位置制备的波导，在空气与透明玻璃交界处会引入反对称边界条件通过引入不对称性，波导横截面显著不对称增大，极大地提高了双折射的大小，无需引入其他复杂的辅助结构，仅通过单次扫描即可实现。
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法得到多个在光谱信息、亮度、纯度等方面都相同的量子光源的瓶颈问题以及在光子集成芯片上集成可重构、高度全同性的数百个量子光源的技术问题。
本发明通过无外加辅助结构的单次扫描制备量子光源的技术以及采用飞秒激光直写技术结合反馈和锁定系统共同实现高精度的调控，单次扫描即可实现10-4量级的双折射大小；本发明通过结合探测器、反馈系统和锁定系统直写设备得到了高稳定性高精度的量子光源，实现了在集成光子芯片上的可扩展集成，能够将量子光源波导的飘动控制在5％以下，从而确保了本发明制备大规模量子光源的高度全同性。目前可在光子集成芯片上实现数百个全同量子光源的集成，只需一个小时，工时能耗相比已有技术均大大提高，具备了相当的实用性。测得光谱飘动性远小于5％，全同性高于90％，是目前其他量子光源和技术无法实现的。
附图说明
图1为芯片内量子光源波导阵列结构及原理的示意图；
图中：a为波导阵列及端面图像，b为整体系统构成，c为反馈系统，d为锁定系统，e为直写系统，f为量子光源的作用机制，g为ccd相机累积的闲频光光斑图像，h为ccd相机累积的信号光光斑图像；i为本发明采用的激光直写单次扫描示意图；j为现有技术，需采用额外写入辅助结构实现量子光源。
图2为在波导内产生关联光子对光谱的分布图以及对反馈系统、锁定系统和飞秒激光直写系统的实验性能鉴定；
图中：(1)为制备的数百个量子光源的实验光谱数据，(2)为不同扰动下量子光源产生的信号光的飘动，(3)为不同扰动下量子光源产生的闲频光的飘动；
图3为利用单光子探测器和符合探测模块对量子光源进行连续变量和离散变量系统的实验性能测试；
图中：a为对量子光源进行离散变量系统的实验性能测试，b为对量子光源进行连续变量系统的实验性能测试，
图4为不同量子光源不可分辨性的实验结果图；
图中：a-j分别为数百个量子光源分为十组中，随机选取两两相邻组内波导进行全同性测试的结果。
具体实施方式
量子光源泵浦的产生：采用波长可调脉冲激光器，按照相位匹配条件，调节至最优的泵浦波长780nm，此外激光器发出的脉冲光还需通过偏振玻片进行起偏，以达到最优的相位匹配效果，从而实现最优性能的量子光源。
光子芯片上的量子光源经过上述泵浦过程，在不同泵浦机制下产生相应的量子光场，在芯片的输出端，除了非线性四波混频过程中产生的关联光子对，还有部分泵浦光，采用极化滤波和光谱滤波去除了泵浦光，得到纯净的关联光子对，可用作后续实验的量子光源。
经过滤波后，采用光纤收集量子光源发出的光并连接到单光子探测器和多通道符合门中进行后续量子光源性能的测量。
光谱稳定性的测量：采用接近的泵浦和收集条件，经光谱滤波后的光子对在空间上被分开，将他们分别接入光谱仪，必要时去除背景噪声再采集光谱。
量子光源不可分辨性的测量：通过平移台的移动随机选取两个量子光源泵浦并进行干涉，得到量子光源不可分辨性的实验数据。
如图1a～i所示，本实施例涉及一种光子集成芯片上结合反馈系统及锁定系统实现数百个可扩展量子光源的方法，利用飞秒激光直写技术在玻璃中加工出数百个高度全同性能稳定可扩展的量子光源阵列，具体为：设置飞秒激光脉冲中心位于513nm，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.7的透镜将260mw的飞秒激光聚焦在熔融石英表面以下75μm附近，在透明玻璃的同一深度通过1.268mm/s的速度单次扫描，加工出全同可扩展的源波导，即量子光源阵列。
所述的单次扫描，近表面直写引发的非对称条件可导致双折射显著增大，无需辅助结构或其他工序即可实现高性能量子光源。
如图1所示，芯片前端光束注入泵浦量子光源波导、芯片内量子光源(关联光子对)产生部分以及量子光源输出分析，其中：依据所设计的波导结构以及预设波导长度，利用飞秒激光直写技术在芯片内刻写出如图1分布的波导阵列；芯片前端注入780nm激光器输出的光束，调整精密光学平台的高度、水平位置和角度使光束垂直正入射到波导之中，耦合效率达到20％以上；注入进单根量子光源波导的泵浦光束经非线性四波混频过程产生关联光子对并向后传输，到达波导输出端时，如图1，经过滤波单元后被单光子探测器和符合探测模块接收并测量。
如图2所示，对量子光源波导产生关联光子对的光谱的测量分析图以及对反馈系统及锁定系统和飞秒激光直写系统的实验性能鉴定。量子光源的不稳定度维持在5％以下，从而得到光谱稳定且高度全同的量子光源，验证了量子光源性能的稳定性。
如图3所示，利用单光子探测器和符合探测模块对量子光源进行连续变量和离散变量系统的实验性能测试，结果显示在低泵浦方案中量子光源可作为性能优异的单光子源使用，在45mw泵浦时anti-bunching仍低于0.12，光源亮度可达10k以上。而在高泵浦方案中量子光源具有显著的压缩系数为0.545，可用于连续变量系统的编码。
如图4所示，通过注入多个泵浦，实验测量了不同量子光源不可分辨性的结果，结果显示不可分辨性均高于90％，证实了光子芯片上量子光源的可扩展性。
经过具体实际实验，在标准超净间环境设置下，以上述参数启动/运行上述装置/方法，能够得到的实验数据是：可得到数百个全同性大于90％，飘动远小于5％，具备离散系统和连续系统双用高性能可扩展的量子光源。
与现有技术相比，本方法通过新型直写方式，单次扫描方式在性能和功耗上都比原有技术大大提升，亮度较现有技术提高了五倍，且仅需一小时即可制备数百个不可分辨性大于90％的量子光源，且性能更优；采用探测器、反馈系统、锁定系统与飞秒直写系统，使得可扩展量子光源数量提高了一个数量级，精度控制可实现远小于5％的扰动，值得一提的是这数百个全同光源不可分辨性高于90％。且在低泵浦方案中量子光源可作为性能优异的单光子源使用，在45mw泵浦时anti-bunching仍低于0.12，光源亮度可达10k以上。而在高泵浦方案中量子光源具有显著的压缩系数为0.545，远远高于宏观光学同样条件下得到的压缩度，可用于连续变量系统的编码。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (1)
1.一种光子芯片上实现可扩展量子光源的方法，其特征在于，通过探测器采集飞秒激光系统的工况信息并输出至反馈系统，反馈系统通过范围识别得到激光加工的当前位置信息；当识别到的位置信息偏离出预设的范围时，反馈系统将向锁定系统输出控制指令，锁定系统开始启动，对加工光路处理直到实时反馈的激光加工位置保持在预设范围内；信息输出至直写系统，直写系统在光子集成芯片中通过飞秒激光直写单次扫描加工出数百个高度全同性能稳定可扩展的量子光源阵列；
所述的工况信息包括：温度、湿度、激光功率、重复频率、速度、激光指向精度；
所述的飞秒激光直写是指：采用脉冲中心位于513nm的飞秒激光，脉冲持续时间为290fs，重复频率为1MHz，使用数值孔径为0.7的透镜将飞秒激光聚焦在作为光子集成芯片表面以下75μm附近，在同一深度通过单次扫描加工出全同可扩展的源波导，即量子光源阵列；
所述的量子光源阵列位于玻璃表面以下75μm，具体为若干根直波导结构组成；
所述的反馈系统包括：信号识别单元、信号判断及信号输出单元，其中：信号识别单元对探测器探测转化成的电信号进行识别并将高于阈值的信号输出至信号判断单元，信号判断单元对接收到的信号与设定范围进行比较，将判断信息输出至信号输出单元；信号输出单元根据判断过的信息是否超出预设范围并对锁定系统输出是/否运行的指令；
所述的锁定系统包括：开关、集成电路单元、压电陶瓷以及镜片组，其中：开关根据反馈系统中信号输出单元的结果打开或关闭，集成电路单元与压电陶瓷相连并控制镜片组对加工位置信息进行实时调控，调整后的工况信息将再次被探测器探测，经反馈系统判定是否需要开启锁定系统进行调节，当需要则继续循环上述过程，否则加工信息已被调节好并被锁定，可以进行后续直写加工过程；
所述的直写系统包括：飞秒激光器、衰减器、极化控制单元、反射镜、直写镜头、平移台和控制模块，其中：飞秒激光器发出激光并依次由衰减器对加工功率进行调节、由极化控制单元调控直写激光的偏振信息，调节后的激光加工工况信息随后经过探测器、反馈系统和锁定系统稳定后经反射镜输出至直写镜头，控制模块控制平移台按预设参数进行移动。
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