[发明专利]一种由多级非线性介质组成的级联结构

说明书

本发明公开一种由多级非线性介质组成的级联结构，由N段不完全等长的非线性介质和N‑1段等长的色散介质依次交替排列组成，构成可透射光波的级联结构，其中各级非线性介质长度由二项式系数决定，即第n段非线性介质与第1段非线性介质两者长度的比值为(N‑1)！/[(n‑1)！(N‑n)！]；当利用脉冲光泵浦所述级联结构，通过非线性参量过程制备量子态时，能够获得仅包含主极大干涉峰的多级干涉，实现对量子态频谱特性的准确控制，其中N为大于等于3的整数，n为大于1且不大于N的整数。

技术领域

本发明属于量子信息科学与技术领域，涉及基于非线性光学参量过程的各类量子态制备，包括量子纠缠光子、单光子以及孪生光束等，具体为一种有助于提高量子态频谱操控质量的级联结构。

背景技术

非线性介质中的光学参量过程是一种制备光场量子态的有效方法。常用的光学参量过程包括χ⁽²⁾二阶非线性介质中的参量下转换过程以及χ⁽³⁾三阶非线性介质中的四波混频过程。从量子力学角度看，在此类过程中，来源于泵浦光场中的一个(或两个)光子通过介质的χ⁽²⁾(或χ⁽³⁾)非线性效应湮灭、并同时产生一对频率分别为ω_s和ω_i的关联光子对，该过程满足能量守恒和动量守恒条件。通常这对光子被分别称为信号光子和闲频光子，对应的输出光场分别被称为信号光场和闲频光场。当光学参量过程的泵浦光是脉冲光时，所产生的信号和闲频光场的频谱特性可由联合频谱函数F(ω_s，ω_i)描述，其决定了频率分别为ω_s和ω_i处的信号和闲频光场的频谱关联特性。不同的量子信息应用往往对量子态的频谱提出特定的需求，例如，基于信号和闲频关联光子对的宣布式单光子源就要求其频谱具有频率不相关特性。因此，如何更加灵活准确地控制量子态的频谱特性就成为一个量子信息研究中的一个重要问题。

不失一般性地，下面以高斯型脉冲光泵浦的四波混频过程为例，对其联合频谱函数进行分析。首先，对于一段具有均匀色散的非线性介质，联合频谱函数可写为：

即其正比于泵浦包络函数和相位匹配函数的乘积。其中，ω_p为泵浦光的中心频率，σ_p为泵浦光的带宽，泵浦、信号和闲频光的波长与频率的关系为λ_j＝2πc/ω_j(c代表光速)；L为非线性介质长度，Δk＝k_s+k_i-2k_p+2γP_p为相位失配，k_p、k_s和k_i分别代表泵浦、信号和闲频光的传播常数，由非线性介质的色散决定，γ代表介质的非线性系数，P_p代表泵浦光的峰值功率。

接下来考虑由N(此处N为大于1的整数)段非线性介质和N-1段色散介质依次交替构成的N级级联结构。这里色散介质的作用仅为引入色散，由于相位匹配条件不满足，因而不产生参量增益。若假设第一段非线性介质的相位失配为Δk₁、长度为L₁，第N段非线性介质的相位失配为Δk_N、长度为L_N，第一段色散介质的相位失配为Δk_d1(这里色散介质的相位失配定义为Δk_d＝k_s+k_i-2k_p)、长度为L_d1，第N-1段色散介质的相位失配为Δk_d(N-1)、长度为L_d(N-1)，则级联结构输出的联合频谱可以表示为：

上式中其它参数所代表的意义与公式(1)相同。