[实用新型]一种用于产生时间仓纠缠光子的系统

说明书

本实用新型提出了一种用于产生时间仓纠缠光子的系统，其包括光源模块、调制模块、非线性晶体、滤波模块及分光模块。其中，调制模块可以将光信号调制成泵浦光脉冲对，非线性晶体基于自发参量下转换效应将泵浦光脉冲对生成信号光和闲频光，随后借助滤波模块和分光模块将泵浦光成分滤除并将信号光和闲频光分离。本实用新型的纠缠光子产生系统可以实现全光纤结构，且具有10^‑6数量级的纠缠光子转化率，同时易于滤除泵浦光成分，系统整体体积小、易集成。

技术领域

本实用新型涉及量子物理技术领域，具体涉及一种用于产生时间仓(time-bin)纠缠光子的系统。

背景技术

量子纠缠作为量子信息处理的核心部分有着广泛的应用，如量子隐形传态、量子密钥分配、量子态远程制备、量子安全直接通信、量子秘密共享等等。通常，量子纠缠可以通过基于非线性过程的物理体系来实现，利用非线性过程中的能量守恒、线动量守恒和角动量守恒定律，量子纠缠可以被建立在光子的不同自由度上，如偏振纠缠、时间仓纠缠、轨道角动量纠缠等。其中，偏振纠缠光子源和时间仓纠缠光子源适用于量子通信领域。

当前，通信领域主要以光纤作为信息传输的载体。偏振纠缠光子在光纤中传播，光纤扰动等外部环境变化对偏振纠缠度有很大影响，进而限制了纠缠光子的传输距离。而时间仓纠缠光子是建立在时间关系上的纠缠，其纠缠度不受传输距离的影响，更有利于实现远距离通信。

现有技术利用非线性光纤中的自发四波混频效应制备时间仓纠缠光子，泵浦光脉冲对进入色散位移光纤，产生自发四波混频效应，两个相同的泵浦光子对湮灭同时生成了一对纠缠光子，每一个泵浦光脉冲都可以产生纠缠光子对。泵浦光频率ω_p与信号光频率ω_s和闲频光频率ω_i之间的关系为ω_p＝ω_s+ω_i。接下来利用光纤光栅滤除泵浦光，再通过阵列波导光栅将信号光与闲频光分开，即得到了时间仓纠缠光子对。文献《Generation of1.5-μm band time-bin entanglement using spontaneous fiber four-wave mixingand planar lightwave circuit interferometers》中阐述了基于非线性光纤的自发四波混频效应制备time-bin纠缠光子的方法。

现有技术采用色散位移光纤作为非线性介质，需要的色散位移光纤长度为数km量级，难以实现系统的小型化和集成化。现有技术采用的方案，纠缠光子转化效率在10^-10数量级，转化效率较低。同时，基于四波混频效应产生的纠缠光子，其波长与泵浦光波长相近，而泵浦光的强度远大于纠缠光强度，因此难以完全滤除泵浦光，最终分离出的纠缠光子中会存在部分泵浦光子掺杂，影响纠缠源质量。为了尽可能的滤除泵浦光，现有技术利用多个滤光器件进行多级滤波，导致系统复杂度较高、光信号衰减大。由于系统中采用的色散位移光纤长度在km量级，泵浦脉冲将激发较强的受激拉曼散射效应，还需要在色散位移光纤前后增加偏振控制器来减少受激拉曼散射光子的比例，提高四波混频效率。另外，为了降低噪声光子和提高纠缠源的CAR(符合计数与偶然符合计数的比值)，通常需要用液氮对色散位移光纤进行冷却处理，而冷却设备会进一步增加系统复杂度。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提出了一种用于产生时间仓纠缠光子的系统，其包括光源模块、调制模块、非线性晶体、滤波模块及分光模块。其中，所述光源模块产生光信号；所述调制模块接收所述光信号，并对其进行调制以生成泵浦光脉冲对；所述非线性晶体接收所述泵浦光脉冲对，并使所述泵浦光脉冲对中的泵浦光脉冲发生自发参量下转换过程以生成信号光和闲频光；所述滤波模块接收所述非线性晶体的输出，并且滤除所述泵浦光脉冲；以及所述分光模块接收所述滤波模块的输出，并且将所述信号光和所述闲频光分离。

优选地，所述光源模块可以包括连续光激光器或者脉冲激光器。