CN117526073B - 一种驱动速率达到激子寿命极限的量子点纠缠光源系统 - Google Patents
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Abstract
一种驱动速率达到激子寿命极限的量子点纠缠光源系统，包括量子点样品；激光器，适用于发出初始激光信号；倍频模块，适用于对初始激光信号进行2N倍频，倍频模块包括：第一分束器，适用于将初始激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；倍频组件，包括N个级联的倍频单元；每个倍频单元适用于将接收到的重复频率相同的第一路激光信号和第二路激光信号进行合束，以及适用于将合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；倍频单元还适用于对第一路激光信号进行延时，以使第一路激光信号相对于第二路激光信号延时，调节初始激光信号的波长使倍频激光信号的重复频率等于量子点样品的寿命极限驱动重复频率。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种驱动速率达到激子寿命极限的量子点纠缠光源系统。
背景技术
纠缠源是现代量子信息技术的核心，是能够展现量子信息技术相较于经典信息技术的优势的重要资源，其在包括量子计算、量子通信和量子精密测量等领域有着至关重要的作用。实现纠缠的物理载体有超导量子比特、离子阱、原子、光子等，其中光子由于其与环境的相互作用弱，适于自由空间、光纤传输网络，是一种很好的量子比特传输载体，因此纠缠光子源的研究获得了国内外研究者的密切关注。目前最为广泛使用的产生纠缠光子对的方式是通过非线性晶体的自发参量下转换（SPDC）过程产生的，由于SPDC过程是一种概率性过程，实验中往往需要在纠缠光子对的产生效率和光学品质之间进行权衡，这往往导致光学量子计算和量子通信的拓展性或安全性降低。
基于量子点的纠缠光源是目前发展最完善的确定性纠缠光源之一，其通过双激子自发辐射过程来产生纠缠光子对，原理上可以做到真正的确定性产生高品质的纠缠光子对。从实际应用的角度看，在双激子-激子级联跃迁的过程中天然地存在一个与量子点的辐射速率相对应的最大激发重复频率（称为寿命极限激发速率，通常在吉赫兹量级）。目前报道出的高品质的基于量子点的纠缠光源的驱动频率一般约为80MHz，而量子点的寿命（百皮秒量级）决定了其最大驱动频率可以达到GHz量级，因此亟需一种装置可以将基于量子点的纠缠光源的驱动频率到提升到GHz量级，这对于提高量子通信的安全成码率、通信距离有重要的意义。
目前主要通过电驱动的方式来达到吉赫兹量级的激发重复频率，但是电驱动是一种非相干操作，其产生的光子品质往往较差，并且电驱动的方式无法做到确定性产生纠缠光子对。双光子共振激发技术（Two Photon Excitation，TPE）可以实现确定性制备纠缠光子对，然而目前基于TPE方法的驱动速率往往远低于量子点激子的辐射速率，这阻碍了基于量子点的纠缠光源在量子通信等较大空间尺度的量子网络的应用。
发明内容
针对现有技术问题，本发明提出一种量子点纠缠光源系统，能够工作在寿命极限的驱动频率下并确定性制备纠缠光子对。
作为本发明的第一个方面，提供了一种量子点纠缠光源系统，包括：
量子点样品；
激光器，适用于发出初始激光信号，初始激光信号的波长可调；
倍频模块，适用于对初始激光信号进行2N倍频，得到倍频激光信号，倍频组件包括：
第一分束器，适用于将初始激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；
倍频组件，包括N个级联的倍频单元，N≥1；每个倍频单元适用于将接收到的重复频率相同的第一路激光信号和第二路激光信号进行合束，得到合束激光信号，以及适用于将合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号，并传输至下一级倍频单元；
其中，重复频率相同的两路激光信号在合束之前，倍频单元还适用于对第一路激光信号进行延时，以使在合束时，第一路激光信号相对于第二路激光信号延时，T为第一路激光信号或第二路激光信号的脉冲间隔；
其中，倍频激光信号的重复频率等于初始激光信号的重复频率的2N倍，调节初始激光信号的波长使倍频激光信号的重复频率等于量子点样品的寿命极限驱动频率，在倍频激光信号的作用下量子点样品发出纠缠光子对。
根据本发明的实施例，倍频组件的每个倍频单元包括：
并联设置的第一光纤第二光纤，第一光纤适用于传输第一路激光信号，第二光纤适用于传输第二路激光信号；
第二分束器，适用于对来自于第一光纤和第二光纤的两路激光信号进行合束以及适用于将合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；
并联设置的第三光纤和第四光纤，适用于一一对应的对第二分束器输出的重复频率相同的两路激光信号进行传输；
其中，每个倍频单元的第三光纤和下一级倍频单元的第一光纤连接，每个倍频单元的第四光纤和下一级倍频单元的第二光纤连接，倍频单元的第三光纤和第一光纤能够调节光延时，以使进入每个倍频单元的第二分束器发生合束的第一路激光信号相对于第二路激光信延时，通过N个级联的倍频单元后，最后一级倍频单元的第三光纤或者第四光纤输出的激光信号即为倍频激光信号。
根据本发明的实施例，倍频组件包括：
硅衬底；
二氧化硅层，设置于硅衬底上；
氮化硅层，设置于二氧化硅层上，其中，在氮化硅层上形成有N个级联的倍频单元；
倍频单元包括：
并联设置的第一波导和第二波导，第一波导适用于传输第一路激光信号，第二波导适用于传输第二路激光信号；
片上分束器，适用于对来自于第一波导和第二波导的两路激光信号进行合束得到合束激光信号，以及适用于将合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；
并联设置的第三波导和第四波导，适用于一一对应的对片上分束器输出的重复频率相同的两路激光信号中的一路进行传输；
其中，每个倍频单元的第三波导与下一级倍频单元的第一波导连接，第四波导与下一级倍频单元的第二波导连接；倍频单元的第三波导和第一波导能够调节光延时，以使进入每个倍频单元片上分束器发生合束的第一路激光信号相对于第二路激光信号延时；通过N个级联的倍频单元后，最后一级倍频单元的第三波导或者第四波导输出的子激光信号即为倍频激光信号。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：
位移台，位移台适用于放置量子点样品并调控量子点样品的空间位置；
第三分束器，适用于对自倍频组件输出的倍频激光信号进行透射；
物镜，适用于将经第三分束器透射的倍频激光信号聚焦至量子点样品，倍频激光信号激发量子点样品产生纠缠光子对并在量子点样品上发生反射，物镜还适用于收集包括量子点样品发出的纠缠光子对的信号；
其中，第三分束器还适用于对来自物镜的带有纠缠光子对的信号进行反射。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：
陷波滤波片，适用于对第三分束器反射的带有纠缠光子对的信号进行滤波，得到第一滤波信号；
第一衍射光栅，适用于对第一滤波信号进行第一衍射，得到纠缠光子对中的激子光子；
第二衍射光栅，适用于对发生第一衍射后的第一滤波信号进行第二衍射，得到纠缠光子对中的双激子光子。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：
第一测量组件，适用于将激子光子和双激子光子分别投影到不同的基矢下，并测量激子光子和双激子光子在不同基矢下的符合计数，进而实现对激子光子和双激子光子的纠缠保真度测量。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：
第二测量组件，适用于分别测量激子光子和双激子光子的单光子纯度。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：
第三测量组件，适用于分别对激子光子和双激子光子的全同性进行测量。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：
反射镜组件，适用于对第一衍射光栅输出的激子光子进行反射以使激子光子进入第一测量组件、第二测量组件或第三测量组件以及适用于对第二衍射光栅输出的双激子光子进行反射以使双激子光子进入第一测量组件、第二测量组件或第三测量组件。
根据本发明的实施例，针对重复频率相同的两路激光信号，在合束之前，利用倍频单元对其中一路激光信号所在的光路进行延时处理，之后将延时后的激光信号和另一路激光信号进行合束，使得合束激光信号的重复频率为合束之前的两路激光信号重复频率的两倍。因此，在N个级联的倍频单元的作用下，得到的倍频信号为初始激光信号的2N倍。
根据本发明的实施例，针对不同的量子点，可以适应性的调节激光器的波长和N的个数，最终使得到的倍频激光信号的重复频率达到量子点样品的寿命极限驱动频率，进而能够以寿命极限的驱动频率激发量子点样品并发出纠缠光子对。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例提供的量子点纠缠光源系统的光路图；
图2示出了根据本发明的一个实施例提供的倍频组件的示意图；
图3示出了根据本发明的另一个实施例提供的倍频组件的示意图；
图4A示出了根据本发明的实施例提供的初始激光信号的重复频率；
图4B示出了根据本发明的实施例提供的倍频激光信号的重复频率；
图5示出了图3中倍频组件的剖视图；
图6示出了根据本发明实施例提供的激子光子和双激子光子的寿命图；
图7示出了根据本发明实施例提供的量子点样品的光谱图；
图8示出了根据本发明实施例提供的不同倍频下得到的倍频激光脉冲强度和纠缠光子对的计数率；
图9A示出了根据本发明实施例提供的寿命极限驱动频率下的纠缠光子对密度矩阵的实部测量结果；
图9B示出了根据本发明实施例提供的寿命极限驱动频率下的纠缠光子对密度矩阵的虚部测量结果；
图10A示出了根据本发明的实施例的对产生的激子光子进行单光子纯度测量所得到的结果；
图10B示出了根据本发明的实施例的对产生的双激子光子进行单光子纯度测量所得到的结果；
图11A示出了根据本发明的实施例的对产生的激子光子进行全同性测量所得到的结果；
图11B示出了根据本发明的实施例的对产生的双激子光子进行全同性测量所得到的结果。
附图标记说明
1量子点样品；
2激光器；
3倍频模块；
31第一分束器；
32倍频组件；
321倍频单元；
321-1第一光纤；
321-2第二光纤；
321-3第二分束器；
321-4第三光纤；
321-5第四光纤；
321-6第一波导；
321-7第二波导；
321-8片上分束器；
321-9第三波导；
321-10第四波导；
322硅衬底；
323二氧化硅层；
324氮化硅层；
33第三反射镜；
4低温恒温器；
5位移台；
6第三分束器；
7物镜；
8陷波滤波片；
9第一衍射光栅；
10第二衍射光栅；
11第一测量组件；
111第一四分之一波片；
112第一二分之一波片；
113第一偏振分束器；
114第一单光子探测器；
115第二四分之一波片；
116第二二分之一波片；
117第二偏振分束器；
118第二单光子探测器；
119第一时间数字转换器；
12第二测量组件；
121第四分束器；
122第三单光子探测器；
123第四单光子探测器；
124第二时间数字转换器；
13第三测量组件；
131不等臂马赫曾德干涉仪；
1311第五分束器；
1312延时单元；
1313第六分束器；
132第五单光子探测器；
133第六单光子探测器；
134第三时间数字转换器；
14反射镜组件；
141第一反射镜；
142第二反射镜；
143第一翻转镜；
144第二翻转镜。
具体实施方式
在实现本发明的过程中发现，阻碍量子点纠缠光源实现寿命极限的驱动频率的原因有以下两点：首先，量子点之间的波长存在差异，因此需要激发光的波长可调；其次，量子点之间的寿命存在差异，因此需要激光器的重复频率可调。目前常用的钛蓝宝石激光器已经能够很好地覆盖GaAs/AlGaAs量子点的波长（约为780nm-800nm）；但是脉冲激光器的重复重复频率是由腔长决定的，而激光腔长通常需要保持足够长来维持锁模增益，这导致目前双光子共振激发技术中使用的钛蓝宝石激光器的重复重复频率不可调，通常约为76MHz。基于以上原因我们需要开发一种可调重频技术来实现一种驱动速率达到激子寿命极限的确定性量子光源系统。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了根据本发明的实施例提供的量子点纠缠光源系统的光路图。
图2示出了根据本发明的一个实施例提供的倍频组件的示意图。
图3示出了根据本发明的另一个实施例提供的倍频组件的示意图。
如图1-图3所示，该量子点纠缠光源系统包括：量子点样品1、激光器2、倍频模块3。
激光器2适用于发出初始激光信号，初始激光信号的波长可调。倍频模块3适用于对初始激光信号进行2N倍频，得到倍频激光信号。倍频模块3包括第一分束器31和倍频组件32。第一分束器31适用于将初始激光信号分成重复频率相同的两路激光信号。倍频组件32包括N个级联的倍频单元321，每个倍频单元321适用于将接收到的重复频率相同的第一路激光信号和第二路激光信号进行合束，得到合束激光信号，以及适用于将合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号，并传输至下一级倍频单元。其中，重复频率相同的两路激光信号在合束之前，倍频单元321还适用于对第一路激光信号进行延时得到延时信号，以使两路激光信号在合束时，延时信号相对与第二路激光信号延时，T为第一路激光信号或第二路激光信号的脉冲间隔，第一路激光信号和第二路激光信号为由初始激光信号分束得到的两路相同的激光信号，T也为初始激光信号的脉冲间隔。
其中，倍频激光信号的重复频率等于初始激光信号的重复频率的2N倍，调节初始激光信号的波长使倍频激光信号的重复频率等于量子点样品的寿命极限驱动频率，在倍频激光信号的激发下量子点样品发出纠缠光子对。
根据本发明的实施例，针对重复频率相同的两路激光信号，在合束之前，利用倍频单元321对其中一路激光信号所在的光路进行延时处理，之后将延时信号和另一路激光信号进行合束，使得合束激光信号的重复频率为合束之前的两路激光信号重复频率的两倍。因此，经过一个倍频单元321，能够实现对初始信号的21倍频，经过两个倍频单元321，能够实现倍频信号的22倍频，以此类推，在N个级联的倍频单元的作用下，能够实现对初级激光信号的2N倍频，即在N个级联的倍频单元的作用下得到的倍频信号为初始激光信号的2N倍。
根据本发明的实施例，针对不同的量子点，可以适应性的调节激光器的波长和N的个数，最终使得到的倍频激光信号的重复频率等于量子点样品的寿命极限驱动重复频率，进而能够使得量子点样品发出确定性纠缠光子对。
图4A示出了根据本发明的实施例提供的初始激光的脉冲间隔。
图4B示出了根据本发明的实施例提供的倍频激光的脉冲间隔。
如图4A所示，初始激光重复频率为76MHz（脉冲间隔13.2ns），如图4B所示，经倍频组件4对初始激光倍频后，倍频激光的重复频率变为4864MHz（脉冲间隔变为0.2ns）。
继续参考图2，根据本发明的实施例，倍频组件32可以采用全光纤形成。倍频组件32为多个级联的不等臂马赫增德尔干涉仪结构，即每个倍频单元321为一个不等臂马赫增德尔干涉仪结构。每个倍频单元321包括：并联设置的第一光纤321-1和第二光纤321-2、第二分束器321-3、并联的第三光纤321-4和第四光纤321-5。
第一光纤321-1适用于传输第一路激光信号，第二光纤321-2适用于传输第二路激光信号。第二分束器321-3适用于对来自于第一光纤321-1和第二光纤321-2的两路激光信号进行合束，以及将合束激光信号分成重复频率相同两路激光信号。并联设置的第三光纤321-4和第四光纤321-5适用于分别对来自于第二分束器321-3的两路激光信号进行传输。
其中，每个倍频单元的第三光纤和下一级倍频单元的第一光纤连接，每个倍频单元的第四光纤和下一级倍频单元的第二光纤连接，倍频单元的第三光纤和第一光纤可以调节光延时，以使进入每个倍频单元的第二分束器发生合束的第一路激光信号相对于第二路激光信延时，通过N个级联的倍频单元后，最后一级倍频单元的第三光纤或者第四光纤输出的激光信号即为倍频激光信号。
图5示出了图3中倍频组件的剖视图。
参考图3以及图5，根据本发明的另一个实施例，倍频组件32还可以采用片上集成式的方法形成。倍频组件32包括：硅衬底322、二氧化硅层323、氮化硅层324。二氧化硅层323设置于硅衬底322上。氮化硅层324设置于二氧化硅层323上，其中，对氮化硅层324进行刻蚀形成有N个级联的倍频单元321。每个倍频单元321包括：并联设置的第一波导321-6和第二波导321-7、片上分束器321-8以及并联设置的第三波导321-9和第四波导321-10。第一波导321-6适用于传输第一路激光信号，第二波导321-7适用于传输第二路激光信号。片上分束器321-8适用于对来自于第一波导和第二波导的两路激光信号进行合束得到合束激光信号，以及适用于将合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号。并联设置的第三波导321-9和第四波导321-10，适用于一一对应的对片上分束器321-8输出的重复频率相同的两路激光信号中的一路进行传输。
其中，每个倍频单元321的第三波导321-9和下一级倍频单元的第一波导321-6连
接，每个倍频单元321的第四波导321-10和下一级倍频单元的第二波导321-7连接，在倍频
单元321的第三波导321-9和第一波导321-6上包括延时线，以使发生合束的第一路激光信
号相对于第二路激光信号延时，最后一级倍频单元的第三波导或者第四波导输出的激
光信号即为倍频激光信号。其中，延时线为螺旋状氮化硅波导。
根据本发明的实施例，全光纤式或者片上集成式得到的倍频组件的体积较小，便于携带至外场实验。
继续参考图1，根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：位移台5、第三分束器6、物镜7。位移台8适用于放置量子点样品1并精细控制其移动以更好地使物镜收集纠缠光子对。第三分束器6适用于对自倍频组件32输出的激光信号进行透射。物镜7适用于将经第三分束器6透射的倍频激光信号聚焦至量子点样品1，倍频激光信号在量子点样品1上发生反射，并激发量子点样品1产生纠缠光子对，物镜7还适用于收集来自量子点样品1的带有纠缠光子对的激光信号；其中，第三分束器6还适用于对来自物镜7的带有纠缠光子对的信号进行反射。
根据本发明的实施例，量子点样品1放置在低温恒温器中，低温恒温器设置在位移台8上，低温恒温器用于将量子点样品1降至低温（例如可以为7K），随后量子点样品1在倍频激光的激发下产生纠缠光子对。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：陷波滤波片8、第一衍射光栅9、第二衍射光栅10。陷波滤波片8适用于对纠缠光子对中的剩余激光进行滤波，得到第一滤波信号。第一衍射光栅9适用于对第一滤波信号进行第一衍射，得到纠缠光子对中的激子光子。第二衍射光栅10适用于对发生第一衍射后的第一滤波信号进行第二衍射，得到纠缠光子对中的双激子光子。根据本发明的实施例，纠缠光子对的两个纠缠光子的能量差约为4毫电子伏特（meV），可以通过第一光栅9和第二光栅10将纠缠光子对的两个光子区分开。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：第一测量组件11、第二测量组件12和第三测量组件13。第一测量组件11适用于将激子光子和双激子光子分别投影到不同的基矢下，并测量激子光子和双激子光子在不同基矢下的二阶关联符合计数，进而实现对激子光子和双激子光子的纠缠保真度测量。第二测量组件12适用于分别测量激子光子和双激子光子的单光子纯度。第三测量组件13适用于分别对激子光子和双激子光子的全同性进行测量。
根据本发明的实施例，第一测量组件11包括：第一四分之一波片111、第一二分之一波片112、第一偏振分束器113，第一单光子探测器114、第二四分之一波片115、第二二分之一波片116、第二偏振分束器117，第二单光子探测器118和第一时间数字转换器119。
其中，第一四分之一波片111、第一二分之一波片112、第一偏振分束器113适用于将激子光子投影至第一测量基，第一单光子探测器114适用于测量第一测量基下的光子数，第二四分之一波片115、第二二分之一波片116、第二偏振分束器117适用于将双激子光子投影至第二测量基，第二单光子探测器118适用于测量第二测量基下的光子数。第一时间数字转换器119适用于测量第一单光子探测器144和第二单光子探测器118的二阶关联强度，计算不同基矢下的二阶关联强度计数，能够推算出激子光子和双激子光子的纠缠保真度。其中，第一测量基和第二测量基分别选自H测量基、V测量基、D测量基、R测量基的其中之一。第一测量基和第二测量基的组合为HH，HV，VV，VH，RH，RV，DV，DH，DR，DD，RD，HD，VD，VL，HL，RL这16组测量基中的一种。
根据本发明的实施例，第二测量组件包括：第四分束器121、第三单光子探测器122、第四单光子探测器123、第二时间数字转换器124。第四分束器121适用于将激子光子或者双激子光子分成两路，第三单光子探测器122适用于对第一路激子光子进行探测或者适用于对第二路激子光子的光子数进行探测，第四单光子探测器123适用于对第二路激子光子的光子数进行探测或者对第二路双激子光子进行探测。第二时间数字转换器124适用于对第三单光子探测器122和第四单光子探测器123进行二阶关联强度测量，可以推算出光子的单光子纯度。
根据本发明的实施例，第三测量组件包括：不等臂马赫曾德干涉仪131、第五单光子探测器132、第六单光子探测器133、第三时间数字转换器134。
不等臂马赫曾德干涉仪131包括：第五分束器1311、延时单元1312和第六分束器1313。进入不等臂马赫曾德干涉仪131的激子光子和双激子光子在第五分束器1311被分成两路。延时单元1312适用于使得前后进入不等臂马赫曾德干涉仪1311的前后两个激子光子或者两个双激子光子能够发生干涉，第六分束器1313适用于使激子光子和双集子光子发生干涉。第五单光子探测器132和第六单光子探测器133适用于对干涉后的激子光子或双激子光子进行探测。第三时间数字转换器134适用于对第五单光子探测器132和第六单光子探测器133进行二阶关联强度测量，可以推算出激子和双激子光子的全同性。
根据本发明的实施例，上述量子点纠缠光源系统还包括：反射镜组件14。反射镜组件14适用于对第一衍射光栅9输出的激子光子进行反射以使激子光子进入第一测量组件11、第二测量组件12或第三测量组件13以及适用于对第二衍射光栅10输出的双激子光子进行反射以使双激子光子进入第一测量组件11、第二测量组件12或第三测量组件13。反射镜组件14包括第一反射镜141、第二反射镜142、第一翻转镜143、第二翻转镜144。
以下结合图1并列举具体实施例对本发明的量子点纠缠光源系统进行详细说明。
本发明的实施例提供的量子点纠缠光源系统分为三部分：寿命极限重复频率的激发脉冲的产生部分、纠缠光子对的激发部分以及纠缠光子对的表征部分。
在寿命极限重复频率的激发脉冲的产生部分中，激光器2为钛蓝宝石激光器，激光器2发出重复重复频率为76MHz（脉冲间隔13.2ns）的初始激光，将该初始激光通过光纤接入倍频组件4，随后通过N个级联的倍频单元321来实现初始激光重复重复频率加倍，本实施例中N=6。其中一个倍频单元321为一个延时可调的不等臂马赫曾德干涉仪结构。经过倍频组件32后，可以产生重复重复频率为4864MHz（脉冲间隔0.2ns）的激光信号，该激光信号为脉冲信号，随后将该激光信号用于激发量子点样品1来产生纠缠光子对。
在纠缠光子对的激发部分中，通过共聚焦装置完成对量子点样品1的激发从而产生纠缠光子对。共聚焦装置包括位移台5、第三分束器6和物镜7、陷波滤波片8和反射镜组件14。第三分束器6的反射率:透射率=90:10，物镜7的数值孔径NA=0.42。在倍频激光的作用下，量子点样品1通过级联跃迁过程产生纠缠光子对，之后通过第一衍射光栅9和第二衍射光栅10分别衍射出纠缠光子对中的激子光子和双激子光子。激子光子和双激子光子的寿命如图6所示。
图7示出了根据本发明实施例提供的量子点样品的光谱图。
如图7所示，量子点样品1通过级联跃迁过程产生纠缠光子对，其中激子光子的波长在790.7nm和双激子光子的波长在792.7nm。791nm和792nm之间的信号为少部分残余激光(TPE激光)，残余激光通过第一衍射光栅9和第二衍射光栅10进一步滤除。
图8示出了根据本发明实施例提供的不同倍频下得到的倍频激光的脉冲强度和纠缠光子对的计数率。
如图8所示，为不同倍频（N不同）下实测的脉冲激光计数率和纠缠光子对计数率，可以看到两者随着倍频数目增加保持线性增长，这说明了高驱动频率下量子点纠缠光源的效率能够维持不变。
在纠缠光子对的表征部分中，分别采用第一测量组件14对纠缠保真度测量，采用第二测量组件15分别测量激子光子和双激子光子的单光子纯度，采用第三测量组件16对激子光子和双激子光子的全同性进行测量。
图9A示出了根据本发明实施例提供的寿命极限驱动频率下的纠缠光子对密度矩阵的实部测量结果。
图9B示出了根据本发明实施例提供的寿命极限驱动频率下的纠缠光子对密度矩阵的虚部测量结果。
如图9A-图9B所示，为在寿命极限的驱动频率下纠缠光子对的密度矩阵的实部和虚部，通过计算可以说明量子点样品1产生的纠缠光子对的保真度为0.937±0.006。
图10A示出了根据本发明的实施例的对产生的激子光子进行单光子纯度测量所得到的结果。
图10B示出了根据本发明的实施例的对产生的双激子光子进行单光子纯度测量所得到的结果。
如图10A-图10B所示，激子光子和双激子光子的单光子纯度均大于99%，并且在各个驱动频率下几乎维持不变。
图11A示出了根据本发明的实施例的对产生的激子光子进行全同性测量所得到的结果。
图11B示出了根据本发明的实施例的对产生的双激子光子进行全同性测量所得到的结果。
如图11A-图11B所示，激子光子和双激子光子的全同性均大于经典极限值0.5，并且在各个驱动频率下几乎维持不变。
根据本发明的实施例，利用倍频组件实现倍频光的重复频率可调，从而适用于不同量子点样品1的寿命极限激发速率的需求。同时该量子点纠缠光源系统较为简易，搭建、维护成本较低，比较方便兼容于大部分已有的量子点样品。
根据本发明实施例提供的倍频组件的延时准确性较高，并且倍频后功率较为稳定，适用于未来更高驱动频率的量子点纠缠光源系统。
根据本发明的实施例，在寿命极限驱动频率下，量子点样品的品质仍能保持不变，这也印证了量子点在高速率量子信息网络中的潜在作用。
根据本发明的实施例提供的量子点纠缠光源系统发出的纠缠光子对具有较高的亮度，从而提升基于量子点量子光源的量子计算速率和量子通信成码率，有望将基于固态光源的量子通信距离从目前的实验室尺度（百米量级）提升至城际尺度（数十公里量级），这是未来实现基于量子点的城际量子网络的必要条件。
在现有技术来实现倍频激光的方法中，通过光学平台上直接搭建N个干涉仪，并将通过干涉仪倍频之后的激光耦合到单模光纤中，用于后续激发量子点样品的激发，该方法占用的空间较大，便携性较差。相对于现有技术中实现倍频激光的方法，本发明实施例提供的采用全光纤法形成的倍频组件32的量子点纠缠光源系统中，通过将光纤折叠固定，可以使整套纠缠光源系统缩小到一台示波器的大小。本发明实施例提供的采用片上集成形成的倍频组件32的量子点纠缠光源系统中，分束器、延时线等通过微纳加工的方式集成化到硅基芯片上，同时芯片上集成两个FC/APC光纤接头，用于初始激光的接入和倍频激光的输出，使得纠缠光源系统更加便携。
上述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，上述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种驱动速率达到激子寿命极限的量子点纠缠光源系统，其特征在于，包括：
量子点样品；
激光器，适用于发出初始激光信号，所述初始激光信号的波长可调；
倍频模块，适用于对所述初始激光信号进行2N倍频，得到倍频激光信号，所述倍频模块包括：
第一分束器，适用于将所述初始激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；
倍频组件，包括N个级联的倍频单元，N≥1；每个所述倍频单元适用于将接收到的重复频率相同的第一路激光信号和第二路激光信号进行合束，得到合束激光信号，以及适用于将所述合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号，并传输至下一级倍频单元；其中，重复频率相同的两路激光信号在合束之前，所述倍频单元还适用于对所述第一路激光信号进行延时，以使在合束时，第一路激光信号相对于所述第二路激光信号延时，所述T为所述第一路激光信号或所述第二路激光信号的脉冲间隔；
位移台，所述位移台适用于放置所述量子点样品并调控所述量子点样品的空间位置；
第三分束器，适用于对自所述倍频组件输出的倍频激光信号进行透射；
物镜，适用于将经所述第三分束器透射的倍频激光信号聚焦至所述量子点样品，所述倍频激光信号激发所述量子点样品产生纠缠光子对，所述物镜还适用于收集包括所述量子点样品发出的所述纠缠光子对的信号；
低温恒温器，设置在所述位移台上，所述低温恒温器用于将量子点样品降至低温，随后量子点样品在倍频激光的激发下产生纠缠光子对；
其中，所述第三分束器还适用于对来自所述物镜的带有所述纠缠光子对的信号进行反射；
其中，所述倍频激光信号的重复频率等于所述初始激光信号的重复频率的2N倍，调节所述初始激光信号的波长使所述倍频激光信号的重复频率等于所述量子点样品的寿命极限驱动频率，在所述倍频激光信号的作用下所述量子点样品发出纠缠光子对。
2.根据权利要求1所述的量子点纠缠光源系统，其特征在于，
所述倍频组件的每个倍频单元包括：
并联设置的第一光纤和第二光纤，所述第一光纤适用于传输所述第一路激光信号，所述第二光纤适用于传输所述第二路激光信号；
第二分束器，适用于对来自于所述第一光纤和所述第二光纤的两路激光信号进行合束以及适用于将所述合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；
并联设置的第三光纤和第四光纤，适用于一一对应的对所述第二分束器输出的重复频率相同的两路激光信号进行传输；
其中，每个倍频单元的第三光纤和下一级倍频单元的第一光纤连接，每个倍频单元的第四光纤和下一级倍频单元的第二光纤连接；所述倍频单元的第三光纤和第一光纤能够调节光延时，以使进入每个倍频单元的第二分束器发生合束的第一路激光信号相对于所述第二路激光信号延时，通过N个级联的倍频单元后，最后一级倍频单元的第三光纤或者第四光纤输出的激光信号即为所述倍频激光信号。
3.根据权利要求1所述的量子点纠缠光源系统，其特征在于，所述倍频组件包括：
硅衬底；
二氧化硅层，设置于所述硅衬底上；
氮化硅层，设置于所述二氧化硅层上，其中，在所述氮化硅层上形成有N个级联的倍频单元；
所述倍频单元包括：
并联设置的第一波导和第二波导，所述第一波导适用于传输所述第一路激光信号，所述第二波导适用于传输所述第二路激光信号；
片上分束器，适用于对来自于所述第一波导和所述第二波导的两路激光信号进行合束得到所述合束激光信号，以及适用于将所述合束激光信号分成重复频率相同的两路激光信号；
并联设置的第三波导和第四波导，适用于一一对应的对所述片上分束器输出的重复频率相同的两路激光信号中的一路进行传输；
其中，每个倍频单元的第三波导与下一级倍频单元的第一波导连接，第四波导与下一级倍频单元的第二波导连接；所述倍频单元的第三波导和第一波导能够调节光延时，以使进入每个倍频单元片上分束器发生合束的第一路激光信号相对于所述第二路激光信号延时；通过N个级联的倍频单元后，最后一级倍频单元的第三波导或者第四波导输出的激光信号即为所述倍频激光信号。
4.根据权利要求1所述的量子点纠缠光源系统，其特征在于，还包括：
陷波滤波片，适用于对所述第三分束器反射的带有所述纠缠光子对的信号进行滤波，得到第一滤波信号；
第一衍射光栅，适用于对所述第一滤波信号进行第一衍射，得到所述纠缠光子对中的激子光子；
第二衍射光栅，适用于对发生第一衍射后的所述第一滤波信号进行第二衍射，得到所述纠缠光子对中的双激子光子。
5.根据权利要求4所述的量子点纠缠光源系统，其特征在于，还包括：
第一测量组件，适用于将所述激子光子和所述双激子光子分别投影到不同的基矢下，并测量所述激子光子和所述双激子光子在不同基矢下的符合计数，进而实现对所述激子光子和所述双激子光子的纠缠保真度测量。
6.根据权利要求5所述的量子点纠缠光源系统，其特征在于，还包括：
第二测量组件，适用于分别测量所述激子光子和所述双激子光子的单光子纯度。
7.根据权利要求6所述的量子点纠缠光源系统，其特征在于，还包括：
第三测量组件，适用于分别对所述激子光子和所述双激子光子的全同性进行测量。
8.根据权利要求7所述的量子点纠缠光源系统，其特征在于，还包括：
反射镜组件，适用于对所述第一衍射光栅输出的所述激子光子进行反射以使所述激子光子进入所述第一测量组件、所述第二测量组件或所述第三测量组件以及适用于对所述第二衍射光栅输出的双激子光子进行反射以使所述双激子光子进入所述第一测量组件、所述第二测量组件或所述第三测量组件。
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