CN112539849A - 一种量子干涉探测芯片及其测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种量子干涉探测芯片，包括耦合光栅、输入定向耦合器、光栅模式分束器、输出定向耦合器和超导纳米线单光子探测器，耦合光栅用于将片外由自发参量下转换产生的纠缠光子对分别耦合进片上输入定向耦合器的两个输入端口；输入定向耦合器用于将输入的纠缠光子对转变成一个横电基模光子和一个横电二阶模光子；光栅模式分束器对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有分光特性，实现模式上的双光子干涉；输出定向耦合器用于将模式干涉结束的一对同为横电基模或者横电二阶模的光子传输至某一输出端口；超导纳米线单光子探测器在低温下吸收一对光子并转换成电流信号被外围测试设备探测。本发明能够提高集成量子光路的密集度。
Description
技术领域
本发明涉及集成量子光学技术领域，特别是涉及一种量子干涉探测芯片及其测试系统。
背景技术
集成量子光学的发展将自由空间的量子光学实验平台缩小到了芯片尺度，从而为演示大规模量子计算提供了可能。但是，目前集成量子光路主要是由路径编码信息的波导干涉仪所构成的量子网络，而这种量子光路难以轻易地被大规模扩展。为了尽可能在简化量子计算架构或者提高量子通信信道安全性和抗噪声能力的情况下实现可扩展性，可以适当增加当前量子光学系统的操作维度，同时使用光的多个自由度，比如光的波导模式，偏振，时间，频率等性质。这些自由度已经在自由空间和光纤量子系统中被探索过，比如用于对量子比特的编码，因此也可以将这些自由度应用到集成量子光路中来。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种量子干涉探测芯片及其测试系统，提高集成量子光路的密集度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种量子干涉探测芯片，包括依次连接的耦合光栅、输入定向耦合器、光栅模式分束器、输出定向耦合器和超导纳米线单光子探测器，所述耦合光栅用于将片外由自发参量下转换产生的纠缠光子对分别耦合进片上输入定向耦合器的两个输入端口；所述输入定向耦合器用于将输入的纠缠光子对转变成一个横电基模光子和一个横电二阶模光子；所述光栅模式分束器对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有分光特性，实现模式上的双光子干涉；所述输出定向耦合器用于将模式干涉结束的一对同为横电基模或者横电二阶模的光子传输至某一输出端口；所述超导纳米线单光子探测器在低温下吸收一对光子并转换成电流信号被外围测试设备探测。
所述输入定向耦合器为模式复用区，所述模式复用区包括两个输入端口，其中一个输入端口为多模波导的输入端，另一个输入端口为普通波导的输入端，在满足相位匹配条件时，所述普通波导中的横电基模光子会耦合进所述多模波导中并转化为横电二阶模光子。
所述光栅模式分束器为模式干涉区，所述对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有0.5:0.5的分光特性，当干涉结果为产生两个横电基模光子时，两个横电基模光子将会都被所述输出定向耦合器的一个输出端口处的超导纳米线单光子探测器所吸收；当干涉结果为产生两个横电二阶模光子，两个横电二阶模光子会被所述输出定向耦合器的另一个输出端口处的超导纳米线单光子探测器所吸收。
所述输出定向耦合器为模式解复用区，所述模式解复用区包括两个输出端口，两个输出端口均通过各自的波导与超导纳米线单光子探测器相连。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于量子干涉探测芯片的测试系统，包括连续波激光器、磷酸氧钛钾晶体、第一偏振分束器和上述的量子干涉探测芯片；所述连续波激光器对所述磷酸氧钛钾晶体进行泵浦，通过自发参量下转换将入射光子转变成纠缠光子对，所述第一偏振分束器将纠缠光子分为两路，一路通过依次通过四分之一波片、半波片和透镜与所述量子干涉探测芯片中的一个耦合光栅耦合，另一路依次通过四分之一波片、半波片、延时光路和透镜与所述量子干涉探测芯片中的另一个耦合光栅耦合；所述量子干涉探测芯片的输出端经过T型偏置器和放大器后接入计数器进行事件计数，其中，所述量子干涉探测芯片放置在恒温器中。
所述连续波激光器与磷酸氧钛钾晶体之间依次设有前置四分之一波片、前置半波片、第二偏振分束器、后置四分之一波片、后置半波片和透镜。
所述磷酸氧钛钾晶体和第一偏振分束器之间依次设有长通滤波片和带通滤波片。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过将多种集成光子器件与超导纳米线单光子探测器相集成，实现片上的双光子干涉与探测，可满足紧凑型的片上集成化趋势。
附图说明
图1是本发明的量子干涉探测芯片结构示意图；
图2是本发明的量子干涉探测芯片的测试方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种量子干涉探测芯片，如图1所示，包括依次连接的耦合光栅、输入定向耦合器、光栅模式分束器、输出定向耦合器和超导纳米线单光子探测器，所述耦合光栅用于将片外由自发参量下转换产生的纠缠光子对分别耦合进片上输入定向耦合器的两个输入端口；所述输入定向耦合器用于将输入的纠缠光子对转变成一个横电基模光子和一个横电二阶模光子；所述光栅模式分束器对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有分光特性，实现模式上的双光子干涉；所述输出定向耦合器用于将模式干涉结束的一对同为横电基模或者横电二阶模的光子传输至某一输出端口；所述超导纳米线单光子探测器在低温下吸收一对光子并转换成电流信号被外围测试设备探测。
本实施方式的集成量子光路是在SOI晶圆上加工，其中耦合光栅和波导结构如模式复用/解复用器和模式分束器都是硅材料，超导纳米线单光子探测器是氮化铌材料，最右侧电极为金材料。在实验过程中，两个纠缠光子分别由外部光纤从左侧上下两个光栅耦合进入波导中，初始模式都为横电基模。但进入模式复用区后，由于满足相位匹配条件，下侧的横电基模光子会耦合进上侧的多模波导中，并转化为横电二阶模光子。转化为横电二阶模的光子与原本就在上侧多模波导传输的横电基模光子能够同时进入模式干涉区发生双光子干涉。对于同一对入射光子来说，干涉具有两种可能的结果，即同时产生两个横电基模光子或者两个横电二阶模光子。若产生两个横电基模光子，两个光子将会都被右上方的超导纳米线单光子探测器所吸收；若产生两个横电二阶模光子，则会被右下方的单光子探测器所吸收。超导纳米线单光子探测器吸收光子后会将将光信号转化为电信号，并被外围测试电路所探测。
本实施方式还提供一种量子干涉探测芯片的测试系统，如图2所示，包括连续波激光器、磷酸氧钛钾晶体、第一偏振分束器和第一实施方式的量子干涉探测芯片。所述连续波激光器对所述磷酸氧钛钾晶体进行泵浦，通过自发参量下转换将入射光子转变成纠缠光子对，所述第一偏振分束器将纠缠光子分为两路，一路通过依次通过四分之一波片、半波片和透镜与所述量子干涉探测芯片中的一个耦合光栅耦合，另一路依次通过四分之一波片、半波片、延时光路和透镜与所述量子干涉探测芯片中的另一个耦合光栅耦合；所述量子干涉探测芯片的输出端经过T型偏置器和放大器后接入计数器进行事件计数，其中，所述量子干涉探测芯片放置在恒温器中。
本实施方式中利用发光波长为775nm的连续波激光器对周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体进行泵浦，通过自发参量下转换将波长为775nm的入射光子转变成波长为1550nm的纠缠光子对。其中，偏振分束器PBS1前后的四分之一波片(QWP)和半波片(HWP)主要用来控制光的偏振和强度，使得透镜Lens1前的入射光为水平(H)偏振。准直的入射光通过透镜Lens1聚焦并入射到PPKTP晶体产生1550nm的纠缠光子对。PPKTP晶体后面的长通滤波片(LPF)和带通滤波片(BPF)用于滤除泵浦光，使得只有自发参量下转换产生的纠缠光子对进入后面的光路。由于PPKTP为Ⅱ型相位匹配晶体，会产生偏振方向相互垂直的光子对。因此，后面利用偏振分束器PBS2可以将两个偏振互相垂直的光子分为两路，再经过QWP和HWP后通过透镜耦合进入光纤。其中在一条光路中引入延迟线来补偿两个纠缠光子到达芯片内的模式干涉器件的时间差。两条光路中的QWP和HWP用于控制光子在光纤中的偏振方向，使得光纤与芯片上的耦合光栅之间的耦合达到最优化。量子干涉探测芯片与光纤封装后放置在温度可达2K及以下的低温恒温器中。自由空间中的纠缠光子对通过光纤与耦合光栅的耦合进入芯片波导中，并在模式分束器中发生双光子干涉。干涉完成后的出射光子对会被超导纳米线单光子探测器吸收，超导纳米线单光子探测器将光信号转化为电信号，电信号经过T型偏置器和放大器后，接入相关计数器进行事件计数。
不难发现，本发明通过将多种集成光子器件与超导纳米线单光子探测器相集成，实现片上的双光子干涉与探测，可满足紧凑型的片上集成化趋势。
Claims (7)
1.一种量子干涉探测芯片，其特征在于，包括依次连接的耦合光栅、输入定向耦合器、光栅模式分束器、输出定向耦合器和超导纳米线单光子探测器，所述耦合光栅用于将片外由自发参量下转换产生的纠缠光子对分别耦合进片上输入定向耦合器的两个输入端口；所述输入定向耦合器用于将输入的纠缠光子对转变成一个横电基模光子和一个横电二阶模光子；所述光栅模式分束器对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有分光特性，实现模式上的双光子干涉；所述输出定向耦合器用于将模式干涉结束的一对同为横电基模或者横电二阶模的光子传输至某一输出端口；所述超导纳米线单光子探测器在低温下吸收一对光子并转换成电流信号被外围测试设备探测。
2.根据权利要求1所述的量子干涉探测芯片，其特征在于，所述输入定向耦合器为模式复用区，所述模式复用区包括两个输入端口，其中一个输入端口为多模波导的输入端，另一个输入端口为普通波导的输入端，在满足相位匹配条件时，所述普通波导中的横电基模光子会耦合进所述多模波导中并转化为横电二阶模光子。
3.根据权利要求1所述的量子干涉探测芯片，其特征在于，所述光栅模式分束器为模式干涉区，所述对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有0.5:0.5的分光特性，当干涉结果为产生两个横电基模光子时，两个横电基模光子将会都被所述输出定向耦合器的一个输出端口处的超导纳米线单光子探测器所吸收；当干涉结果为产生两个横电二阶模光子，两个横电二阶模光子会被所述输出定向耦合器的另一个输出端口处的超导纳米线单光子探测器所吸收。
4.根据权利要求1所述的量子干涉探测芯片，其特征在于，所述输出定向耦合器为模式解复用区，所述模式解复用区包括两个输出端口，两个输出端口均通过各自的波导与超导纳米线单光子探测器相连。
5.一种基于量子干涉探测芯片的测试系统，其特征在于，包括连续波激光器、磷酸氧钛钾晶体、第一偏振分束器和如权利要求1-4中任一所述的量子干涉探测芯片；所述连续波激光器对所述磷酸氧钛钾晶体进行泵浦，通过自发参量下转换将入射光子转变成纠缠光子对，所述第一偏振分束器将纠缠光子分为两路，一路通过依次通过四分之一波片、半波片和透镜与所述量子干涉探测芯片中的一个耦合光栅耦合，另一路依次通过四分之一波片、半波片、延时光路和透镜与所述量子干涉探测芯片中的另一个耦合光栅耦合；所述量子干涉探测芯片的输出端经过T型偏置器和放大器后接入计数器进行事件计数，其中，所述量子干涉探测芯片放置在恒温器中。
6.根据权利要求5所述的基于量子干涉探测芯片的测试系统，其特征在于，所述连续波激光器与磷酸氧钛钾晶体之间依次设有前置四分之一波片、前置半波片、第二偏振分束器、后置四分之一波片、后置半波片和透镜。
7.根据权利要求5所述的基于量子干涉探测芯片的测试系统，其特征在于，所述磷酸氧钛钾晶体和第一偏振分束器之间依次设有长通滤波片和带通滤波片。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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