[发明专利]一种单光子源和单光子制备方法

说明书

本公开提供了一种单光子源，用于制备通讯波段的、确定性的目标单光子，单光子源包括：信号光源，用于响应脉冲共振激发，产生波长为第一波长的信号光；泵浦光源，用于产生波长为第二波长的泵浦光；差频转换波导模块，用于对信号光和泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；第一光学模块，用于将目标光准直；以及滤波模块，用于滤除目标光中波长为第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。此外，本公开还提供了一种利用该单光子源进行单光子制备的方法。

技术领域

本公开涉及量子信息科学领域，更具体地，涉及一种单光子源和一种利用该单光子源进行单光子制备的方法。

背景技术

光子是量子计算、量子通信领域中的基础组成单元。对于量子计算，由Knill、Laflamme和Milburn提出的KLM方案使得理论上可以利用光子体系来实现通用型量子计算，在KLM方案中，高品质的单光子作为可操纵的量子比特是最基础的组成部分。对于量子通信，高品质的单光子是BB84协议中携带密钥信息的比特，同时单光子也可以避免光子数可分离攻击，实现“一次一密”的绝对安全。

光子在城际之间的传输通常使用光纤网络。相关技术中，用于制备通讯波段的单光子的方法包括：通过自发参量下转换(SPDC)产生可预报式单光子、通过宽禁带半导体(例如3C-SiC)的色心系统形成的二能级系统产生单光子、通过InAs/In(Ga)As/GaAs或者InAs/InP体系的量子点产生O波段和C波段的单光子等。然而，通过SPDC过程产生的单光子是非确定性的，通过宽禁带半导体色心或InAs/In(Ga)As/GaAs或者InAs/InP体系的量子点产生的单光子全同性较低。

在实现本公开的过程中发现，现有的通讯波段单光子产生方法所制备的单光子都无法同时满足高品质和确定性这两个条件，在量子计算或量子通信领域应用中不具备竞争力。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种单光子源和一种利用该单光子源进行单光子制备的方法。

本公开的一个方面提供了一种单光子源，包括信号光源、泵浦光源、差频转换波导模块、第一光学模块和滤波模块。其中，信号光源，用于响应脉冲共振激发，产生波长为第一波长的信号光；泵浦光源，用于产生波长为第二波长的泵浦光；差频转换波导模块，用于对上述信号光和上述泵浦光进行差频转换，以生成波长为第三波长的目标光；第一光学模块，用于将上述目标光准直；以及滤波模块，用于滤除上述目标光中波长为上述第三波长之外的噪声光子，得到目标单光子。

根据本公开的实施例，上述信号光源包括：量子点，包括InAs/GaAs自组装量子点或GaAs/AlGaAs局部刻蚀量子点；以及光学微腔。

根据本公开的实施例，上述泵浦光源包括：可调谐激光器，用于产生波长为上述第二波长的上述泵浦光；以及功率放大器，用于提高上述泵浦光的功率。

根据本公开的实施例，上述泵浦光源还包括：波分复用器，用于滤除上述泵浦光中波长为上述第二波长之外的噪声光子。

根据本公开的实施例，上述差频转换波导模块包括：输入单元，包括两根输入光纤和两个模式过滤器，其中，上述输入光纤用于将上述信号光或上述泵浦光耦合入上述模式过滤器中；第一波导单元，用于连接上述两个模式过滤器的输出端和方向耦合器的输入端；上述方向耦合器；第二波导单元，用于连接上述方向耦合器的输出端和上述频率转换光栅的输入端；以及上述频率转换光栅，用于对输入的光信号进行频率转换，以产生波长为上述第三波长的上述目标光。

根据本公开的实施例，上述第一光学模块包括：单透镜，用于准直上述目标光；以及三维位移台，用于固定上述单透镜；其中，上述将上述目标光准直是通过调节上述三维位移台的自由度来实现的。