[发明专利]波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源及生成方法

说明书

技术领域

本发明属于量子技术领域，具体涉及波长可调和频谱可控的小型化量子关联光子对源制备，以及量子关联光子对在量子态制备等量子信息技术中的应用

背景技术

量子关联光子对是指在时间、能量、动量及偏振等自由度上具有量子关联特性的一对光子，通常也可简称为关联光子对。利用量子关联光子对可以制备多种量子态：例如，可通过特定的相位匹配技术或后选择技术，制备时间、频率、偏振等不同维度的光子纠缠态；还可利用光子对中一个光子的探测信号来宣布另一个光子的存在，制备宣布式单光子态。研究表明，纠缠光子和单光子是实现量子密钥、量子测量、量子计算等量子信息技术的基础，因此量子关联光子对源被视为量子信息技术领域中的一种关键资源。

量子信息技术对量子关联光子对源的基本要求是亮度高（即单位时间、单位模式内的关联光子对产生率高）和保真性好（即关联光子对纯度高、噪声光子少）；同时，量子信息技术的实用化发展还要求量子关联光子对源具备小型化和低成本化的特点。而针对量子关联光子源的输出特性，则包括两个重要的特征指标，即输出关联光子对的波长调谐、波段覆盖能力以及关联光子对的频谱关联特性。

量子关联光子对的波长调谐和波段覆盖能力决定了其在量子信息技术中的应用范围。例如，在量子密钥应用中，将信息编码于通讯波段光子、并利用现有光纤网络进行传输是实现密钥长距离、高效率分发的理想解决方案；若量子关联光子对源的输出波长覆盖常用通讯波段并可以进行连续的全波段调谐，就可以利用波分复用技术将不同波长的光子同时耦合进光纤进行传输，从而拓展信道容量。在量子中继应用中，通过光子与原子体系的相互作用来进行信息的存储和交换，这就需要光子的波长和带宽与原子谱线精确地匹配，因此要求量子关联光子对源具备较大波段覆盖范围和调谐能力。在精密测量应用中，量子关联光子对被用来对单光子探测器的量子效率进行绝对标定和对光纤的偏振模色散等进行精确测量，关联光子对的波长则决定了这些测量手段的适用波段。

量子关联光子对的频谱关联特性是指光子对中信号和闲频光子间所表现出的频率关联性，量子信息技术应用中往往要求量子关联光子对具有特定的频谱关联性。例如，在量子增强的定位技术和时钟校准技术中，要求量子关联光子对具有频率正相关的频谱特征；在可消除介质色散影响的量子相干层析等应用中，则要求量子关联光子对具有频率反相关的频谱特征；而在基于线性光学的量子计算等应用中，量子关联光子对被用作宣布式单光子参与量子干涉，为了提高干涉的可见度，则要求光子对间不存在任何频谱关联性。

目前，量子关联光子对源的有效制备途径之一是非线性介质中由脉冲光或连续光泵浦的自发光学参量过程。常用的自发光学参量过程包括χ⁽²⁾非线性介质（主要包括块状或具有波导结构的非线性晶体等）中的自发参量下转换以及χ⁽³⁾非线性介质（主要包括各类光纤等）中的自发四波混频。在自发参量下转换或自发四波混频过程中，来源于强泵浦光的一个或两个光子湮灭，同时产生一对量子关联光子对。通常将每对光子对中频率较泵浦光下移的光子称为信号光子、频率较泵浦光上移光子称为闲频光子。

自发光学参量过程所产生的量子关联光子对，其波长特性和频谱关联特性主要取决于非线性介质的特性（包括色散、长度等）和泵浦光的参数。量子关联光子对的联合频谱函数f(ω_s,ω_i)正比于产生一对频率分别为ω_s和ω_i的信号和闲频光子对的几率振幅，可反映光子对的波长特性和频谱关联特性。以光纤中由高斯脉冲光泵浦的自发四波混频过程为例，所产生关联光子对的联合频谱函数可表示为：