CN113078950A - 一种单光子源和单光子制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种单光子源，用于制备通讯波段的、确定性的目标单光子，单光子源包括：信号光源，用于响应脉冲共振激发，产生波长为第一波长的信号光；泵浦光源，用于产生波长为第二波长的泵浦光；差频转换波导模块，用于对信号光和泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；第一光学模块，用于将目标光准直；以及滤波模块，用于滤除目标光中波长为第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。此外，本公开还提供了一种利用该单光子源进行单光子制备的方法。

Description

一种单光子源和单光子制备方法

技术领域

本公开涉及量子信息科学领域，更具体地，涉及一种单光子源和一种利用该单光子源进行单光子制备的方法。

背景技术

光子是量子计算、量子通信领域中的基础组成单元。对于量子计算，由Knill、Laflamme和Milburn提出的KLM方案使得理论上可以利用光子体系来实现通用型量子计算，在KLM方案中，高品质的单光子作为可操纵的量子比特是最基础的组成部分。对于量子通信，高品质的单光子是BB84协议中携带密钥信息的比特，同时单光子也可以避免光子数可分离攻击，实现“一次一密”的绝对安全。

光子在城际之间的传输通常使用光纤网络。相关技术中，用于制备通讯波段的单光子的方法包括：通过自发参量下转换(SPDC)产生可预报式单光子、通过宽禁带半导体(例如3C-SiC)的色心系统形成的二能级系统产生单光子、通过InAs/In(Ga)As/GaAs或者InAs/InP体系的量子点产生O波段和C波段的单光子等。然而，通过SPDC过程产生的单光子是非确定性的，通过宽禁带半导体色心或InAs/In(Ga)As/GaAs或者InAs/InP体系的量子点产生的单光子全同性较低。

在实现本公开的过程中发现，现有的通讯波段单光子产生方法所制备的单光子都无法同时满足高品质和确定性这两个条件，在量子计算或量子通信领域应用中不具备竞争力。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种单光子源和一种利用该单光子源进行单光子制备的方法。

本公开的一个方面提供了一种单光子源，包括信号光源、泵浦光源、差频转换波导模块、第一光学模块和滤波模块。其中，信号光源，用于响应脉冲共振激发，产生波长为第一波长的信号光；泵浦光源，用于产生波长为第二波长的泵浦光；差频转换波导模块，用于对上述信号光和上述泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；第一光学模块，用于将上述目标光准直；以及滤波模块，用于滤除上述目标光中波长为上述第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。

根据本公开的实施例，上述信号光源包括：量子点，包括InAs/GaAs自组装量子点或GaAs/AlGaAs局部刻蚀量子点；以及光学微腔。

根据本公开的实施例，上述泵浦光源包括：可调谐激光器，用于产生波长为上述第二波长的上述泵浦光；以及功率放大器，用于提高上述泵浦光的功率。

根据本公开的实施例，上述泵浦光源还包括：波分复用器，用于滤除上述泵浦光中波长为上述第二波长之外的噪声光子。

根据本公开的实施例，上述差频转换波导模块包括：输入单元，包括两根输入光纤和两个模式过滤器，其中，上述输入光纤用于将上述信号光或上述泵浦光耦合入上述模式过滤器中；第一波导单元，用于连接上述两个模式过滤器的输出端和方向耦合器的输入端；上述方向耦合器；第二波导单元，用于连接上述方向耦合器的输出端和上述频率转换光栅的输入端；以及上述频率转换光栅，用于对输入的光信号进行频率转换，以产生波长为上述第三波长的上述目标光。

根据本公开的实施例，上述第一光学模块包括：单透镜，用于准直上述目标光；以及三维位移台，用于固定上述单透镜；其中，上述将上述目标光准直是通过调节上述三维位移台的自由度来实现的。

根据本公开的实施例，上述滤波模块包括：短通滤波片，用于滤除上述目标光中波长大于上述第三波长的光子；长通滤波片，用于滤除上述目标光中波长小于上述第三波长的光子；以及带通滤波片，其中，上述带通滤波片的中心波长为上述第三波长，用于滤除非线性过程中产生的斯托克斯线和反斯托克斯线。

根据本公开的实施例，上述单光子源还包括第二光学单元，用于收集上述目标单光子，其中，上述第二光学单元包括：多个反射镜，用于改变上述目标光的传输路径；以及光纤耦合器，用于耦合上述经过滤波处理的目标光，以收集上述目标单光子。

本公开的另一个方面提供了一种利用上述单光子源进行单光子制备的方法，包括：响应于脉冲共振激发，通过信号光源产生波长为第一波长的信号光；通过泵浦光源产生波长为第二波长的泵浦光；通过差频转换波导模块对上述信号光和上述泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；通过第一光学模块将上述目标光准直；以及通过滤波模块滤除上述目标光中波长为上述第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。

本公开实施例的方法还包括：通过第二光学单元收集上述目标单光子。

根据本公开的实施例，上述通过第二光学单元收集上述目标单光子包括：通过多个反射镜改变上述目标光的传输路径；以及通过光纤耦合器耦合上述经过滤波处理的目标光，以收集上述目标单光子。

根据本公开的实施例，通过采用脉冲共振激发技术得到具备高品质单光子的信号光，信号光单光子和足够功率的泵浦光经差频转换波导输出目标波长的目标光，然后经过后续的光准直系统和滤波系统，实现了通讯波段的单光子的制备。在制备过程中，信号光单光子的量子性质得到了保留，解决了在通讯波段暂无高品质单光子源的问题，进而极大推动量子中继、光学量子计算的实现，降低光子传播损耗，提高系统整体效率。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的单光子源100的结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开另一实施例的单光子源200的结构示意图；

图3a和图3b示意性示出了根据本公开实施例的泵浦光源120的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的差频转换波导模块130的结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的单光子制备方法500的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

针对于单光子源，高品质意味着以下几个方面：第一，高量子效率(或者系统效率)，量子效率是量子计算中最为重要的参数之一，量子计算的速度随着量子效率的降低呈指数降低趋势；第二，高单光子纯度，高单光子纯度表示单光子源发射出来的是单个光子，不存在多光子成分；第三，高全同性，高全同性意味着光子在各种自由度上面都是不可区分的，从物理的角度来说，这表示各个光子之间的产生湮灭算符是一致的，可以发生量子干涉，而量子干涉也是量子计算中最为重要的参数之一。

单光子源的确定性可从两个方面进行解释。第一方面，激发量子点采用的是脉冲共振激发的方式，例如，利用一束重复频率为76MHz，脉宽为3ps的激光来激发量子点，该重复频率会有一个同步信号产生，也就是单光子源出射的光子之间是有时间信息的(time-tagged)，即光子时间信息是确定的。第二方面，脉冲共振激发的方式可以相干地驱动量子点系统，例如，将量子点系统视为一个二能级系统(two-levelsystem，TLS)，脉冲共振激发的方式可以利用激光相干操纵这两个能级，从而产生拉比振荡(Rabi Oscillation)现象，对应于具体实验，在拉比频率等于Pi的时候，量子点可以确定性的分布在二能级的上能级上。

在量子计算或量子通信领域，高品质、确定性的单光子源具有无法取代的重要地位。针对相关技术无法在通讯波段产生高品质、确定性的单光子这一问题，本公开提出一种基于高效率双波段差频转换集成波导的频率下转换方案，将近红外的高品质单光子差频转换至通讯波段，在转换过程中保证其单光子纯度、全同性等品质不变，从而得到通讯波段的高品质单光子源。

具体地，本公开的实施例提供了一种单光子源，用于制备通讯波段的、确定性的目标单光子。该单光子源包括：信号光源，用于响应脉冲共振激发，产生波长为第一波长的信号光；泵浦光源，用于产生波长为第二波长的泵浦光；差频转换波导模块，用于对信号光和泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；第一光学模块，用于将目标光准直；以及滤波模块，用于滤除目标光中波长为第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。

图1示意性示出了根据本公开实施例的单光子源100的结构示意图。

如图1所示，该单光子源100包括信号光源110、泵浦光源120、差频转换波导模块130、第一光学模块140和滤波模块150。其中：

信号光源110用于响应脉冲共振激发，产生波长为第一波长的信号光，信号光中包含波长为第一波长的单光子。

泵浦光源120用于产生波长为第二波长的泵浦光，泵浦光具有足够大的功率以支持差频转换过程的进行。

差频转换波导模块130用于对信号光和泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光。目标光中包含波长为第三波长的单光子，在本公开的实施例中，第三波长处于光纤网络的通讯波段范围内，第三波长与第一波长和第二波长相关，具体可以如式(1)所示：

在式(1)中，λ_s表示第一波长，即信号光的波长；λ_p表示第二波长，即泵浦光的波长；λ_t表示第三波长，即目标光的波长。

第一光学模块140用于将目标光准直，从而将目标光的光斑面积变大，减小目标光的发散角，以便于滤波模块150对目标光进行滤波处理。

滤波模块150用于滤除目标光中波长为第三波长之外的噪声光子，包括但不限于信号光、泵浦光、以及其他非线性过程产生的光子，从而得到目标单光子。

信号光源110、泵浦光源120和差频转换波导模块130之间可以通过光纤进行连接；差频转换波导模块130、第一光学模块140和滤波模块150之间为自由光路部分，根据实际需求，也可以使用光纤连接差频转换波导模块130、第一光学模块140和滤波模块150。

根据本公开的实施例，通过采用脉冲共振激发技术得到具备高品质单光子的信号光，信号光单光子和足够功率的泵浦光经差频转换波导输出目标波长的目标光，然后经过后续的光准直系统和滤波系统，实现了通讯波段的单光子的制备。在制备过程中，信号光单光子的量子性质得到了保留，解决了在通讯波段暂无高品质单光子源的问题，进而极大推动量子中继、光学量子计算的实现，降低光子传播损耗，提高系统整体效率。

图2示意性示出了根据本公开另一实施例的单光子源200的结构示意图。

如图2所示，单光子源200在图1中所示的单光子源100的基础上，还包括了第二光学模块210。

第二光学模块210用于收集滤波模块150输出的目标光，应用于需要使用光纤进行目标光传播的场合。具体地，第二光学模块210包括第一反射镜211、第二反射镜212和光纤耦合器213。

第一反射镜211和第二反射镜212用于改变经过滤波处理的目标光的传输路径。第一反射镜211和第二反射镜212分别固定在调整架中，以便于进行角度的自由调整。第一反射镜211和第二反射镜212可以是任意种类的反射镜，在此并不受限。

光纤耦合器213可以耦合经过滤波处理的目标光，以收集目标单光子。

下面参考图3a、图3b和图4，结合具体实施例对图1和图2所示的单光子源做进一步说明。

信号光源110通过将量子点和光学微腔进行结合来得到。其中，量子点可以是InAs/GaAs自组装量子点或GaAs/AlGaAs局部刻蚀量子点等，光学微腔可以是平面DBR(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射镜)、微柱DBR、布拉格光栅或光子晶体等。选用不同的量子点和不同的光学微腔进行组合，可以在脉冲共振激发的情况下，产生不同波长的单光子，例如，信号光源可以通过分子束外延生长形成的InAs/GaAs量子点和经过微纳加工形成的微柱DBR结合，在脉冲共振激发的情况下，产生波长为893.16nm的信号单光子。

得益于脉冲共振激发技术，信号光单光子具有单光子纯度高、全同性好等较好的量子性质，同时，信号光单光子的量子性质可以通过差频转换传递给目标光单光子，以得到通信波段的高品质单光子。

图3a和图3b示意性示出了根据本公开实施例的泵浦光源120的结构示意图。

如图3a所示，泵浦光源120由可调谐激光器121和功率放大器122构成。其中，可调谐激光器121产生的激光的波长可以通过压电陶瓷进行精准调节；功率放大器122可以将可调谐激光豁121产生的激光的功率进行放大，以达到差频转换波导模块130的最高转换效率需要的功率。需要注意的是，本公开不限制可调谐激光器121和功率放大器122的型号或种类，例如，泵浦光源120可以通过激光器产生波长为2050.24nm的激光，然后产生的激光通过掺饵光纤放大器进行功率放大并输出。

如图3b所示，本公开实施例的泵浦光源120还可以包括波分复用器123，功率放大器122输出的激光通过波分复用器123后，可以滤除非泵浦激光波长的噪声光子。

图4示意性示出了根据本公开实施例的差频转换波导模块130的结构示意图。

如图4所示，差频转换波导模块130包括输入单元131、第一波导单元132、方向耦合器133、第二波导单元134和频率转换光栅135。其中：

输入单元131包括两根输入光纤和两个模式过滤器，两根输入光纤分别和信号光源110和泵浦光源120连接，可以用于将信号光或泵浦光高效地耦合入模式过滤器中。

第一波导单元132用于耦合模式过滤器和方向耦合器133，具体地，第一波导单元132可以包括用于连接不同宽度波导的锥形波导，和用于匹配模式过滤器和方向耦合器133位置的S型波导。例如，从模式过滤器输出的泵浦光经过一个1mm长的锥形波导和一个3.5mm长的S型波导而进入方向耦合器133。

方向耦合器133用于实现功率的耦合，用于将泵浦光和信号光的信号幅度进行匹配，以便于进行差频转换。在本实施例中，方向耦合器133将信号光与泵浦光合成一束，一起通过第二波导单元134进入频率转换光栅135，方向耦合器133具有较高的耦合效率，泵浦光的耦合效率达到了90％，信号光几乎没有耦合损失。

第二波导单元134用于耦合方向耦合器133和频率转换光栅135。

频率转换光栅135用于对输入的信号光和泵浦光进行非线性的频率转换，以生成目标光。频率转换光栅135中包括非线性作用区域，例如，非线性作用区域中的非敏感宽度波导的宽度为7.5μm，长度为45mm，极化周期为21μm。

差频转换波导模块130可以同时高效率地支持信号光、泵浦光和目标光三个波长，同时采用光纤输入波导的形式，加强了模块的集成化程度，可以实现“即插即用”的功能。

第一光学模块140中包括单透镜和三维位移台，其中，单透镜固定地设置在三维位移台上，三维位移台在自由光路空间内可以自由调整位置和角度，通过对三维位移台自由度的调节，可以将频率转换光栅135输出的目标光准直。

优选地，在单光子源200中，第一光学模块140中单透镜需要与第二光学模块210中的光纤耦合器213进行模式匹配以达到最优的收光效果。

滤波模块150包括用于滤除泵浦光的短通滤波片、用于滤除信号光以及/或者泵浦光倍频光的长通滤波片和用于滤除斯托克斯线和反斯托克斯线，针对目标波长设计的带通滤波片。

对于短通滤波片、长通滤波片和带通滤波片的选择可以根据信号光、泵浦光和目标光的波长进行选择。例如，在一个实施例中，信号光的波长为893.16nm，泵浦光的波长为2050.24nm，通过公式(1)可以计算得到目标光的波长为1582.6nm，因而可以选择截止波长为1800nm的短通滤波片以滤除泵浦光，选择截止波长为1500nm的长通滤波片以滤除信号光和其余杂散光，并定制在1582.6nm附近的带宽为0.5nm的带通滤波片。

第一光学模块140、滤波模块150和第二光学模块210可以高效、高信噪比抑制非目标光波长的光子信号，从而保证目标光的光子纯度、全同性等对光学量子计算最重要的量子特性不会降低。

图5示意性示出了根据本公开实施例的单光子制备方法500的示意图。

如图5所示，该方法500包括操作S510～S550。

在操作S510，响应于脉冲共振激发，通过信号光源产生波长为第一波长的信号光。

在操作S520，通过泵浦光源产生波长为第二波长的泵浦光。

在操作S530，通过差频转换波导模块对信号光和泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光。

在操作S540，通过第一光学模块将目标光准直。

在操作S550，通过滤波模块滤除目标光中波长为第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。

根据本公开的实施例，通过采用脉冲共振激发技术得到具备高品质单光子的信号光，信号光单光子和足够功率的泵浦光经差频转换波导输出目标波长的目标光，然后经过后续的光准直系统和滤波系统，实现了通讯波段的单光子的制备。在制备过程中，信号光单光子的量子性质得到了保留，解决了在通讯波段暂无高品质单光子源的问题，进而极大推动量子中继、光学量子计算的实现，降低光子传播损耗，提高系统整体效率。

在本公开的另一实施例中，单光子制备方法500还可以包括通过第二光学单元收集目标单光子。具体地，通过第二光学单元收集目标单光子包括：通过多个反射镜改变目标光的传输路径；以及通过光纤耦合器耦合经过滤波处理的目标光，以收集目标单光子。

需要说明的是，本公开的实施例中单光子制备方法部分与本公开的实施例中单光子源的功能部分是相对应的，单光子制备方法的描述具体参考单光子源的功能描述，在此不再赘述。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种单光子源，用于制备通讯波段的、确定性的目标单光子，所述单光子源包括：

信号光源，用于响应脉冲共振激发，产生波长为第一波长的信号光；

泵浦光源，用于产生波长为第二波长的泵浦光；

差频转换波导模块，用于对所述信号光和所述泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；

第一光学模块，用于将所述目标光准直；以及

滤波模块，用于滤除所述目标光中波长为所述第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。

2.根据权利要求1所述的单光子源，其中，所述信号光源包括：

量子点，包括InAs/GaAs自组装量子点或GaAs/AlGaAs局部刻蚀量子点；以及

光学微腔。

3.根据权利要求1所述的单光子源，其中，所述泵浦光源包括：

可调谐激光器，用于产生波长为所述第二波长的所述泵浦光；以及

功率放大器，用于提高所述泵浦光的功率。

4.根据权利要求3所述的单光子源，其中，所述泵浦光源还包括：

波分复用器，用于滤除所述泵浦光中波长为所述第二波长之外的噪声光子。

5.根据权利要求1所述的单光子源，其中，所述差频转换波导模块包括：

输入单元，包括两根输入光纤和两个模式过滤器，其中，所述输入光纤用于将所述信号光或所述泵浦光耦合入所述模式过滤器中；

第一波导单元，用于连接所述两个模式过滤器的输出端和方向耦合器的输入端；

所述方向耦合器；

第二波导单元，用于连接所述方向耦合器的输出端和所述频率转换光栅的输入端；以及

所述频率转换光栅，用于对输入的光信号进行频率转换，以产生波长为所述第三波长的所述目标光。

6.根据权利要求1所述的单光子源，其中，所述第一光学模块包括：

单透镜，用于准直所述目标光；以及

三维位移台，用于固定所述单透镜；

其中，所述将所述目标光准直是通过调节所述三维位移台的自由度来实现的。

7.根据权利要求1所述的单光子源，其中，所述滤波模块包括：

短通滤波片，用于滤除所述目标光中波长大于所述第三波长的光子；

长通滤波片，用于滤除所述目标光中波长小于所述第三波长的光子；以及

带通滤波片，其中，所述带通滤波片的中心波长为所述第三波长，用于滤除非线性过程中产生的斯托克斯线和反斯托克斯线。

8.根据权利要求1所述的单光子源，其中，所述单光子源还包括第二光学单元，用于收集所述目标单光子，其中，所述第二光学单元包括：

多个反射镜，用于改变所述目标光的传输路径；以及

光纤耦合器，用于耦合所述经过滤波处理的目标光，以收集所述目标单光子。

9.一种利用权利要求1～8中任一项所述的单光子源进行单光子制备的方法，包括：

响应于脉冲共振激发，通过信号光源产生波长为第一波长的信号光；

通过泵浦光源产生波长为第二波长的泵浦光；

通过差频转换波导模块对所述信号光和所述泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；

通过第一光学模块将所述目标光准直；以及

通过滤波模块滤除所述目标光中波长为所述第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

通过第二光学单元收集所述目标单光子；

其中，所述通过第二光学单元收集所述目标单光子包括：

通过多个反射镜改变所述目标光的传输路径；以及

通过光纤耦合器耦合所述经过滤波处理的目标光，以收集所述目标单光子。

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