CN112526796A - 高效率预报单光子及几率性预报多光子态的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子态的方法及系统，该方法不仅可以显著提高单光子的预报效率，还可以几率性预报高纯度多光子态。系统由泵浦脉冲激光，高品质光学腔，和光子数态可分辨检测器构成。泵浦脉冲激光通过PPKTP晶体产生成对参量光子，通过偏振分束器分离。由于信号光与闲频光总是成对产生，当检测器检测到单光子，则意味着信号光模式获得了高品质单光子，极大提高了单光子的预报效率及纯度。当检测器检测到N光子，则意味着在信号模式获得了高品质N光子态。由于自发参量下转换过程产生N光子态的概率与泵浦功率N次方成正比，因此增大泵浦功率，可以实现几率性预报多光子态。

Description

高效率预报单光子及几率性预报多光子态的系统及方法

技术领域

本发明属于光量子信息技术领域，特别涉及一种利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子态的系统及方法。

背景技术

确定性生成高纯度可分辨的单光子一直是可拓展量子信息技术的关键。高纯度的单光子源是量子通信、量子测量、以及量子计算的核心组成部件。在过去几十年间，各种各样的方法被提出来实现单光子源，包括：光子阻塞、四波混频、腔量子电动力学、和自发参量下转换等。其中，基于自发参量下转换的预报单光子源一直是光量子信息技术中应用最广泛的单光子生成方法。这种方法通过脉冲泵浦非线性晶体，产生一对关联的光子，其在不可分辨性、制备工艺、可拓展性上展示出了完美的性能。但是，这种预报单光子源对泵浦功率有一个严格的限制，要求功率必须足够的小来保证参量下转换过程中多光子对的发射事件可以忽略。一旦增加泵浦功率，多光子对的产生概率也会逐渐增加，最终导致错误预报单光子的概率也随之提高。准确预报光子数态，不仅能提高预报单光子源的性能，而且能实现预报多光子态。这能极大促进光量子信息技术的发展，甚至能打开许多前所未有的领域。

发明内容

发明目的：本发明针对目前预报单光子源存在一定误报率的问题，提供一种利用光子数态可分辩检测来提高预报单光子的效率，同时可以实现几率性预报多光子态的系统及方法。在高泵浦脉冲激发参量下转换产生信号-闲频光子对之后，利用光子数态可分辩检测器在闲频光路检测光子数态，从而极大提高闲频光路的单光子预报效率，同时可以保持高纯度。进一步的，由于自发参量下转换的性质，产生N光子对的概率与泵浦功率的N次方有关，而光子数态可分辨检测器不仅可以检测单光子信号，还可以准确检测多光子信号。因此，本发明同时还可以几率性的预报多光子态。系统见图1。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

利用两个反射平凹镜1-1，1-2构成一套高品质光学腔。

将一块具有畴周期反转结构的II型准相位匹配的PPKTP非线性晶体2置于光学腔中，用一个波形、时间长度和功率可调的泵浦激光泵浦PPKTP晶体诱发自发参量下转换过程产生一对参量光即一个闲频光和一个信号光。

泵浦激光通过镀有增透膜的镜子1-1入射，并通过同样镀有增透膜的PPKTP晶体两端2-1和2-2，然后通过镀有增透膜的镜子1-2出射。

闲频光和信号光通过具有低反射率的镜子1-2出射。

泵浦激光与信号光和闲频光被一分色镜3分离。

闲频光与信号光偏振正交。信号光通过偏振分束器4反射导出。

闲频光通过一个光子数态可分辩检测器5检测。

光子数态可分辨检测器5用来分辨出射的闲频模式的光子数态，如果检测的是单光子，即意味着信号光路获得了高品质的单光子，如果检测的是N（N > 1）光子，即意味着信号光路获得了高品质的N光子。

本发明的优势在于，利用光子数态可分辩检测器在闲频光路准确确定光子数态，从而提高闲频光单光子预报的准确性。在通常的预报单光子源系统中，随着泵浦脉冲功率的提高，多光子概率逐渐增加（见图2），此时，闲频光探测器错误预报单光子的概率也逐渐增加。我们用光子数态可分辨检测器来取代通常的闲频光探测器。其能准确的分辨闲频光路的光子数态（见图3），当检测到单光子时，由于自发参量下转换过程总是产生一对信号-闲频光子，因此在信号光路便获得了高纯度的单光子。在理想的可分辨检测下，单光子的预报准确性可以达到百分之一百。另外，本发明可以解放预报单光子源对泵浦功率的限制，不用担心多光子对随泵浦功率的增加而增加的问题。这是因为光子数态可分辩检测器的存在，使得多光子对事件可以被挑选出来，不会对预报单光子的纯度产生影响。与传统预报单光子源相反的是，利用这种多光子对事件，我们还可以实现几率性预报多光子态。当可分辩检测器显示是N光子时，在信号光路便获得了高纯度的N光子。由于自发参量下转换过程产生N光子的概率与泵浦功率的N次方成正比（见图2），因此N光子的预报有一定几率性。本发明只需将传统的预报单光子源闲频光探测器替换成光子数态可分辨检测器，因此拓展性很好，可以兼容目前所有的预报单光子系统，来高效率预报单光子。

附图说明：

附图1：利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子的系统图。

元件标号说明：

1-1：光学平凹镜，凹面针对参量光镀有反射膜，反射率大于99.9%，平面针对参量光镀有增透膜，透射率大于99.8%。

1-2：光学平凹镜，凹面针对参量光镀有反射膜，反射率达96%-98%，平面针对参量光镀有增透膜，透过率大于99.8%。

1-1，1-2：光学平凹镜，凹面和平面都针对泵浦激光镀有增透膜，透射率大于99.5%。

2-1,2-2：PPKTP晶体的两个端面，都针对泵浦激光和参量光镀有增透膜。对泵浦激光，透射率大于99.5%，对参量光，透射率大于99.8%。

3：分色镜，反射泵浦激光，透射闲频光和信号光，将泵浦激光从出射的闲频光与信号光中分离。

4：偏振分束器，反射垂直偏振信号光，透射水平偏振闲频光。

4-1,4-2：偏振分束器的水平端面，参量光镀有增透膜，对参量光，透射率大于99.8%。

5：光子数态可分辨检测器，用来分辨出射的闲频光的光子数态。

附图2：传统预报单光子源产生的光子对布居随归一化泵浦功率的变化。N光子对概率与泵浦功率的N次方成正比。

附图3：光子数态可分辩检测器。当光子入射到检测器上时，光子被检测器上硅吸收并产生电子空穴对，这些光电子被传输到单像素点器件中的浮动扩散电容后，在量子图像传感器上作为电压信号被测量，根据显示的电压信号数值便可以确定光子的数态。图为对相关光光子数态检测结果，第N个峰值对应N光子信号。例如：当电压为1.3时，对应光子数态为1，即单光子；当电压为3.8时，对应光子数态为2，即双光子；当电压为6.1，对应光子数态为3，即三光子。后面依次类推。

具体实施方式：

示例: 利用光子数可分辩检测来高效率预报腔增强的自发参量下转换预报单光子，同时实现几率性预报多光子态。

结合系统图，本示例具体实施如下：

（1）由两个平凹反射镜搭建一套高品质光学腔。镜子1-1和1-2的平面对397.5nm波长光镀有增透膜，凹面也对波长397.5nm的光镀有增透膜，让泵浦激光可以无损耗的透过。两个镜子凹面都对波长795nm的光镀有高反膜。

（2）对波长795nm的光，镜子1-1的凹面反射率达99.9%，镜子1-2的凹面相对较低，约96-98%。同时1-2的平面对波长795nm的光镀有增透膜。闲频光和信号光可以从1-2出射。

（3）PPKTP晶体两个端面都镀有795nm的增透膜。

（4）泵浦激光脉冲通过镜子进入光学腔中，进而通过PPKTP晶体自发参量下转换过程产生频率相同、偏振正交的闲频光和信号光。

（5）闲频光和信号光从镜子1-2出射经过一个分色镜3，将泵浦脉冲分离。

（6）偏振分束器两个端面都镀有795nm的增透膜。垂直偏振的信号光经过该偏振分束器垂直反射，而水平偏振的闲频光则通过。

（7）光子数态可分辨检测器，当入射的光子打到检测器上时，光子被硅吸收并产生电子空穴对，这些光电子被传输到单像素点器件中的浮动扩散电容后，在量子图像传感器上作为电压信号被测量，根据显示的电压信号数值便可以确定光子的数态。

（8）闲频光通过光子数态可分辩检测器从而确定光子数态，由于自发参量下转换过程中，信号光子和闲频光子总是成对产生，因此当检测器检测到单光子信号时，则意味着信号光路必定是单光子且纯度很高。理想情况下，单光子的预报准确性可以达到百分之一百。当检测器检测到N光子信号时，则意味着信号光路必定是高纯度的N光子。由于自发参量下转换过程产生N光子的概率与泵浦功率的N次方成正比，所以我们同时可以实现几率性预报多光子态。

上述内容结合附图对本发明的原理、系统结构和实施例子进行了描述。但是本发明并不限于上述系统结构和具体实施方案，说明书的实施方案仅是给出具体实现方法，具有示意性，而非限制性。本领域技术人员在本发明启示下，可以根据提出的原理对系统结构做调整，并可以根据需要选择不同预报单光子系统。在不违背本发明提出的利用光子数态可分辩检测来高效率预报单光子及几率性预报多光子情况下可以做出多种形式的具体实施，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子态的系统及方法，其特征是在预报单光子系统中，生成一对信号-闲频光子后，在闲频光路用一个光子数态可分辨检测器来检测闲频光子数态；当检测到单光子时，则预报信号光路获得高品质单光子，从而提高单光子的预报效率；当检测到N光子时，则预报信号光路获得高品质N光子，从而实现几率性预报多光子态。

2.根据权利要求1所述利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子，其特征在于泵浦脉冲照射PPKTP非线性晶体产生两个偏振正交模式的参量光，即一个闲频光和一个信号光。

3.根据权利要求1所述利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子，其特征在于PPKTP非线性晶体存在周期畴结构满足II型准相位匹配条件。

4.根据权利要求1所述利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子，其特征在于PPKTP非线性晶体两个端面镀有泵浦光和参量光波长的增透膜。

5.根据权利要求1所述利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子，其特征在于两个反射镜及PPKTP晶体构成腔增强的自发参量下转换预报单光子系统。

6.根据权利要求1所述利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子，其特征在于泵浦脉冲通过第二个反射镜出射后，通过一个分色镜导出。

7.根据权利要求1所述利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子，其特征在于信号光和闲频光从第二个反射镜出射后，信号光通过一个偏振分束器反射导出。

8.根据权利要求1所述利用光子数态可分辨检测来高效率预报单光子和几率性预报多光子，其特征在于闲频光路探测器用光子数态可分辩检测器检测，用来确定闲频光子数态。

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