波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源及生成方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于量子【技術(shù)領(lǐng)域】。為提供一種波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控的、具有小型化、低成本和高純度特征的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：使用950nm至1150nm波段中心波長(zhǎng)和帶寬均可調(diào)諧的脈沖激光作為泵浦光；通過選擇具有特定微結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體光纖或微納光纖作為非線性介質(zhì)，并通過調(diào)諧泵浦光的中心波長(zhǎng)和帶寬，由非線性介質(zhì)中的自發(fā)四波混頻過程產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)。本發(fā)明主要應(yīng)用于量子技術(shù)場(chǎng)合。
【專利說明】波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源及生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于量子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控的小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源制備，以及量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)在量子態(tài)制備等量子信息技術(shù)中的應(yīng)用
【背景技術(shù)】
[0002]量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)是指在時(shí)間、能量、動(dòng)量及偏振等自由度上具有量子關(guān)聯(lián)特性的一對(duì)光子，通常也可簡(jiǎn)稱為關(guān)聯(lián)光子對(duì)。利用量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)可以制備多種量子態(tài):例如，可通過特定的相位匹配技術(shù)或后選擇技術(shù)，制備時(shí)間、頻率、偏振等不同維度的光子糾纏態(tài)；還可利用光子對(duì)中一個(gè)光子的探測(cè)信號(hào)來宣布另一個(gè)光子的存在，制備宣布式單光子態(tài)。研究表明，糾纏光子和單光子是實(shí)現(xiàn)量子密鑰、量子測(cè)量、量子計(jì)算等量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)，因此量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源被視為量子信息【技術(shù)領(lǐng)域】中的一種關(guān)鍵資源。
[0003]量子信息技術(shù)對(duì)量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源的基本要求是亮度高(即單位時(shí)間、單位模式內(nèi)的關(guān)聯(lián)光子對(duì)產(chǎn)生率高)和保真性好(即關(guān)聯(lián)光子對(duì)純度高、噪聲光子少);同時(shí)，量子信息技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展還要求量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源具備小型化和低成本化的特點(diǎn)。而針對(duì)量子關(guān)聯(lián)光子源的輸出特性，則包括兩個(gè)重要的特征指標(biāo)，即輸出關(guān)聯(lián)光子對(duì)的波長(zhǎng)調(diào)諧、波段覆蓋能力以及關(guān)聯(lián)光子對(duì)的頻譜關(guān)聯(lián)特性。
[0004]量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的波長(zhǎng)調(diào)諧和波段覆蓋能力決定了其在量子信息技術(shù)中的應(yīng)用范圍。例如，在量子密鑰應(yīng)用中，將信息編碼于通訊波段光子、并利用現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸是實(shí)現(xiàn)密鑰長(zhǎng)距離、高效率分發(fā)的理想解決方案；若量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源的輸出波長(zhǎng)覆蓋常用通訊波段并可以進(jìn)行連續(xù)的全波段調(diào)諧，就可以利用波分復(fù)用技術(shù)將不同波長(zhǎng)的光子同時(shí)耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸，從而拓展信道容量。在量子中繼應(yīng)用中，通過光子與原子體系的相互作用來進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和交換，這就需要光子的波長(zhǎng)和帶寬與原子譜線精確地匹配，因此要求量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源具備較大波段覆蓋范圍和調(diào)諧能力。在精密測(cè)量應(yīng)用中，量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)被用來對(duì)單光子探測(cè)器的量子效率進(jìn)行絕對(duì)標(biāo)定和對(duì)光纖的偏振模色散等進(jìn)行精確測(cè)量，關(guān)聯(lián)光子對(duì)的波長(zhǎng)則決定了這些測(cè)量手段的適用波段。
[0005]量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的頻譜關(guān)聯(lián)特性是指光子對(duì)中信號(hào)和閑頻光子間所表現(xiàn)出的頻率關(guān)聯(lián)性，量子信息技術(shù)應(yīng)用中往往要求量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有特定的頻譜關(guān)聯(lián)性。例如，在量子增強(qiáng)的定位技術(shù)和時(shí)鐘校準(zhǔn)技術(shù)中，要求量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有頻率正相關(guān)的頻譜特征；在可消除介質(zhì)色散影響的量子相干層析等應(yīng)用中，則要求量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有頻率反相關(guān)的頻譜特征；而在基于線性光學(xué)的量子計(jì)算等應(yīng)用中，量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)被用作宣布式單光子參與量子干涉，為了提高干涉的可見度，則要求光子對(duì)間不存在任何頻譜關(guān)聯(lián)性。
[0006]目前，量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源的有效制備途徑之一是非線性介質(zhì)中由脈沖光或連續(xù)光泵浦的自發(fā)光學(xué)參量過程。常用的自發(fā)光學(xué)參量過程包括x(2)非線性介質(zhì)(主要包括塊狀或具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的非線性晶體等)中的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換以及X (3)非線性介質(zhì)(主要包括各類光纖等)中的自發(fā)四波混頻。在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換或自發(fā)四波混頻過程中，來源于強(qiáng)泵浦光的一個(gè)或兩個(gè)光子湮滅，同時(shí)產(chǎn)生一對(duì)量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)。通常將每對(duì)光子對(duì)中頻率較泵浦光下移的光子稱為信號(hào)光子、頻率較泵浦光上移光子稱為閑頻光子。
[0007]自發(fā)光學(xué)參量過程所產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)，其波長(zhǎng)特性和頻譜關(guān)聯(lián)特性主要取決于非線性介質(zhì)的特性(包括色散、長(zhǎng)度等)和泵浦光的參數(shù)。量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的聯(lián)合頻譜函數(shù)f(?s，COi)正比于產(chǎn)生一對(duì)頻率分別為0^和COi的信號(hào)和閑頻光子對(duì)的幾率振幅，可反映光子對(duì)的波長(zhǎng)特性和頻譜關(guān)聯(lián)特性。以光纖中由高斯脈沖光泵浦的自發(fā)四波混頻過程為例，所產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)的聯(lián)合頻譜函數(shù)可表示為:
[0008]
【權(quán)利要求】
1.一種波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)生成方法，其特征是，使用950nm至1150nm波段中心波長(zhǎng)和帶寬均可調(diào)諧的脈沖激光作為泵浦光；通過選擇具有特定微結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體光纖或微納光纖作為非線性介質(zhì)，并通過調(diào)諧泵浦光的中心波長(zhǎng)和帶寬，由非線性介質(zhì)中的自發(fā)四波混頻過程產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)。
2.如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)生成方法，其特征是，使用的950nm至1150nm波段中心波長(zhǎng)和帶寬均可調(diào)諧的脈沖泵浦光，其實(shí)現(xiàn)途徑是:使用基于摻鐿或摻釹光纖的鎖模脈沖激光器和放大器作為泵浦光源，通過將激光器或放大器的輸出經(jīng)過可調(diào)諧濾波器件進(jìn)行濾波而得到；若激光器或放大器的輸出帶寬不足以覆蓋上述波段，則將激光器或放大器的輸出先通過一段光纖展寬為超連續(xù)譜后再施行濾波。
3.如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)生成方法，其特征是，量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的波長(zhǎng)調(diào)諧具體通過以下兩種不同的途徑分別實(shí)現(xiàn):(I)選擇具有恒定微結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體光纖或微納光纖，以產(chǎn)生具有大頻率失諧特征的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)，光子對(duì)中信號(hào)光子或閑頻光子與泵浦光之間的頻率失諧最大值超過40THz、且該頻率失諧隨泵浦光波長(zhǎng)的改變，在數(shù)THz至失諧最大值之間連續(xù)變化，從而通過改變泵浦光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光子對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)諧；(2)使用具有不均勻纖芯直徑的光子晶體光纖或微納光纖，即光子晶體光纖或微納光纖成品的纖芯直徑從光纖的一段到另一端具有隨長(zhǎng)度增大或減小的變化，其變化幅度不超過初始參數(shù)值的10%，以使所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子帶寬大于相應(yīng)的均勻光纖，從而在不改變泵浦光波長(zhǎng)的情況下，通過可調(diào)諧濾波器對(duì)關(guān)聯(lián)光子對(duì)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)聯(lián)光子對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)諧。
4.如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)生成方法，其特征是，產(chǎn)生具有大頻率失諧特征的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)所需的光子晶體光纖或微納光纖，其微結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍如下，對(duì)于光子晶體光纖，纖芯直徑d需取值0.7 μ m至8 μ m之間，包層空氣比f(wàn)取值則隨纖芯直徑d和 對(duì)輸出光子對(duì)波長(zhǎng)的需求而變化:當(dāng)纖芯直徑d為0.7 μ m至1.2 μ m時(shí)，f取60%至100%，當(dāng)纖芯直徑d為1.2 μ m至1.6 μ m時(shí)，f取35%至80%，當(dāng)纖芯直徑d為1.6 μ m至4 μ m時(shí)，f取10%至60%,當(dāng)纖芯直徑d為4 μ m至8 μ m時(shí)，f取10%至100% ;對(duì)于微納光纖，纖芯直徑d需取值0.7μπι至1.2μπι之間。
5.如權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)生成方法，其特征是，量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的頻譜控制具體通過以下途徑實(shí)現(xiàn):選擇纖芯直徑d在1.6 μ m至2.5 μ m間，包層空氣比f(wàn)在20%至50%間的光子晶體光纖，使其色散滿足τ s τ 的條件，其中八I =KH，為傳播常數(shù)在泵浦光中心頻車《處的一階導(dǎo)數(shù)，為傳播常數(shù)在信號(hào)光子中心頻率處的一階導(dǎo)數(shù)P力傳播常數(shù)在閑頻光子中心頻率》處的一階導(dǎo)數(shù)；在τ s τ 的條件下，相位匹配函數(shù)具有正相關(guān)的頻譜特征，若泵浦光的帶寬0￡)和光纖長(zhǎng)度1^滿足$2=-0.193〖.2^，則使關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有近似不相關(guān)的頻譜，若滿足σ;2<~0.193Ζ^，則使關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有近似正相關(guān)的頻譜，若滿足￡7；2>-0.193L2h，則使關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有近似反相關(guān)的頻譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)聯(lián)光子對(duì)頻譜的控制。
6.一種波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源，其結(jié)構(gòu)為:基于摻鐿或摻釹光纖的鎖模脈沖激光器、放大器以及基于單模光纖的超連續(xù)譜產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生脈沖泵浦光；具有特定微結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體光纖或微納光纖，用于產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)；濾波裝置，用于將產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)與剩余泵浦光有效分離并濾波輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源，其特征是，用于產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的光子晶體光纖或微納光纖，其微結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍為:對(duì)于光子晶體光纖，纖芯直徑d需取值0.7 μ m至8 μ m之間，包層空氣比f(wàn)取值則隨d和對(duì)輸出光子對(duì)波長(zhǎng)的需求而變化:當(dāng)d為0.7μπι至1.2μπι時(shí)，f取60%至100%，當(dāng)d為1.2μπι至1.6 μ m時(shí)，f取35%至80%,當(dāng)d為1.6 μ m至4 μ m時(shí)，f取10%至60%,當(dāng)d為4 μ m至8 μ m時(shí)，f取10%至100% ;對(duì)于微納光纖，纖芯直徑d需取值0.7μπι至1.2μπι之間。
8.如權(quán)利要求6所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源，其特征是，用于產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的光子晶體光纖或微納光纖，其微結(jié)構(gòu)參數(shù)是均勻的，或者微結(jié)構(gòu)參數(shù)存在隨光纖長(zhǎng)度而變化的線性或隨機(jī)的起伏，參數(shù)起伏幅度不超過參數(shù)值的10%。
9.如權(quán)利要求6所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源，其特征是，用于產(chǎn)生頻譜可控量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的光子晶體光纖，其纖芯選擇直徑在1.6 μ m至2.5 μ m間，包層空氣比f(wàn)在20%至50%間，以使其色散滿足τ s τ ^0的條件，其中= k(；] -k%0為傳播常數(shù)在泵浦光中心頻率ωρ與信號(hào)信號(hào)光子中心頻率cos(i)處的一階導(dǎo)數(shù)之差；在τ s τ ,<0的條件下，相位匹配函數(shù)具有正相關(guān)的頻譜特征，若泵浦光的帶寬σρ和光纖長(zhǎng)度L滿足σ;2 =-0.193?，使關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有近似不相關(guān)的頻譜，若滿足σρ_2<-0.193Ζ?^，使關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有近似正相 關(guān)的頻譜，若滿足>-0_l93L\r;，使關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有近似反相關(guān)的頻譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)聯(lián)光子對(duì)頻譜的控制。
10.如權(quán)利要求6所述的波長(zhǎng)可調(diào)和頻譜可控小型化量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源，其特征是，濾波裝置由光纖波分復(fù)用濾波器或可調(diào)諧光纖濾波器光纖器件構(gòu)成，或采用包括色散棱鏡、光柵、帶通濾光片的自由空間器件。
【文檔編號(hào)】G02F1/365GK103901700SQ201410095747
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】李小英, 崔亮 申請(qǐng)人:天津大學(xué)