[发明专利]一种宣布式单光子源产生装置及方法

说明书

本发明提供了一种宣布式单光子源产生装置及方法，包括；第一微环谐振腔与波导处于临界耦合状态；第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔半径的一半；第一微环谐振腔用于控制谐振峰分布以及等效的耦合系数；第二微环谐振腔用于泵浦光的谐振，在自发四波混频作用下，信号光和闲频光波长处自发生成光子对；生成的信号光子和闲频光子在第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长处产生。生成的信号光子和闲频光子在对应的过耦合谐振峰处产生，从而能够以更高的概率耦合进入波导，从而提升信号光子和闲频光子同时离开微环进入波导的概率，以此提高量子光源的宣布效率。本发明通过调控基于微环谐振腔的量子光源的谐振峰，达到提升宣布式单光子源宣布效率的效果。

技术领域

本发明属于量子光学领域，更具体地，涉及一种宣布式单光子源产生装置及方法。

背景技术

量子信息技术是利用量子力学非经典的性质来实现前所未有的信息技术，包括量子计算、量子秘钥分发、量子精密测量。量子技术的实现方法包络三个主要部分，分别是量子态的产生、量子态的操作和量子态的探测。在光量子技术中，集成量子光源具有重要的地位，它作为量子态产生的工具，需要具有一系列优良的性质。一种被称为宣布式单光子源的量子光源在光量子技术中具有广泛的应用，基于微环谐振腔的宣布式单光子源是集成光量子技术不可或缺的一部分。然而，传统的基于微环的宣布式单光子源存在一个问题，即在微环中产生的信号光子和闲频光子在临界耦合的条件下，仅以比较低的概率耦合出微环，从而没有办法保证在探测到信号光子的情况下，闲频光子一定存在，这样的缺陷导致了宣布式单光子源不再具有真正的宣布意义。通过改变微环谐振腔的光谱结构，可以影响微环系统的带宽以及耦合系数，实现更高的光子对宣布效率，从而让量子光源能够很好地在量子技术中得到应用。

宣布式单光子源具有重要的实用意义，通过探测自发非线性过程中同一时刻产生的一对光子中的一个，就可以“宣布”另一个光子的存在。对比传统的光子发射器，这样的宣布操作完全确定了光子在时间域上某一时刻的存在，对于后续利用单光子实现量子操作提供了时间上的保证。利用微环谐振腔，通过将一束脉冲泵浦光耦合进入环中，在自发四波混频效应的作用下，在频域关于泵浦光对称的位置处，一对信号光子和闲频光子会自发地产生，并且在时间上是完全同时产生的，如图1所示；利用这一同时产生光子对的性质，我们可以通过探测其中一个光子以确定另外一个光子的存在，这就是宣布式单光子源的基本概念。

在单一的微环谐振腔结构中，由于泵浦光的谐振峰和信号光，闲频光的谐振峰具有相同的宽度，这一宽度由单一的波导和环的耦合系数决定。所以，在光子产生效率最高的临界耦合条件下，信号光和闲频光谐振峰对应的耦合系数是比较小的，导致了信号光子和闲频光子不能完全耦合进入波导，离开微环，这有可能让宣布操作失败。

在已有的片上基于非线性过程的宣布式单光子源方案中，有几种方法能够实现有效的宣布操作。在基于波导的非线性单光子源中，由于不存在微环和波导耦合，光子直接在波导中产生，因此在没有损耗的近似下，一对光子一定能同时被取得，此时的光子对宣布效率为1。然而，波导中因为没有谐振结构，泵浦光子的密度非常小，导致非线性效应非常弱，因此无法实现高亮度，高光子产生率的宣布式光源。基于微环谐振腔的宣布式光源，得益于微环极大的场增强效应，可以得到的光子产量能够高于波导几个数量级，因此非常具有实用意义。基于微环的宣布式单光子源的宣布效率是一个需要优化的参数，现有的方法提高宣布效率的方法是利用非对称耦合的技术提升信号光和闲频光对应谐振峰的耦合系数，例如，利用非对称马赫-曾德尔干涉臂耦合的微腔来实现。但是这种方法在对器件的实现上具有一定的弊端，器件的耦合点比较多，在芯片的流片过程中难以控制耦合强度的大小和损耗。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种宣布式单光子源产生装置及方法，旨在解决基于自发非线性过程的宣布式单光子源中，谐振峰耦合系数低导致的光子对宣布效率低的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种宣布式单光子源产生装置，包括：波导、第一微环谐振腔以及第二微环谐振腔；