[发明专利]一种三明治型高亮度量子纠缠光子源

说明书

技术领域

本发明属于量子信息技术领域，具体涉及一种量子纠缠光子源，适用于量子通信、量子密码等应用领域。 

背景技术

量子纠缠具有量子力学的本质特征——相干性、或然性和空间非局域性，它是量子信息技术的核心资源。借助于纠缠态，我们可以完成一些经典信息过程不可能完成的任务，比如量子态隐形传输、密集编码、量子精密测量等。现今，研究人员又提出了更加复杂的方案，如量子纠错、one-way量子计算，这些更需要多比特的纠缠态。如果要实现这些新奇的想法，我们必须能够方便的制备出多比特纠缠态。 

虽然产生纠缠态的系统有很多，并且各有各的优点，但最方便和易控制的方法是通过参量下转换的方式产生纠缠光子对。自发参量下转换(SPDC)过程可以看成是一个相干的三光子过程。泵浦激光的强度要足够强，使得晶体中电子的震荡幅度达到非线性区域，二阶相互作用导致一个泵浦光子湮灭并产生两个下转换光子，能量、动量守恒保证了两个光子在这两个连续自由度上的纠缠。在实际应用中，由于光子偏振容易操作，所以大部分采用偏振自由度，最简单的双光子最大纠缠态为贝尔态： 12(HH±VV),]]>12(HV±VH).]]>

用SPDC过程产生纠缠光子对的研究已经有很多年的历史，并且产生了很多重要的成果，如量子态隐形传输、量子非局域性检验和空间量子通信的实现。 

现在已有的纠缠光源主要有以下三种： 

1、最常用的是采用非共线II型(II型相位匹配指两下转换光子的偏振垂直，可以表示为o→e+o或e→e+o；而I型相位匹配指两下转换光子的偏振相同，可以表示为o→e+e或e→o+o。)BBO晶体(β-偏硼酸钡晶 体)，输出光子对的偏振垂直，正对晶体看时光子的轨迹为两相交圆环(如图1所示)，其中一个环为e偏振另一个为o偏振。由于能动量守恒，共轭光子对只会出现在两圆环和泵浦激光中心对称的两个点上。因此收集相交两点处的光子对就能得到偏振纠缠的贝尔态(需加入双折射晶体做时间补偿)。该方案只需要一块BBO晶体，也是首次用SPDC方法实现了纠缠态的产生。但一开始是用连续光作为泵浦激光，不利于多光子干涉，并且相交两点处以外的下转换光场均没有利用而浪费，因此光源亮度较低，限制了其在更多方案中的应用。 

如果用飞秒脉冲泵浦，则泵浦激光脉冲会引入附加的时间信息，并且无法用双折射晶体进行补偿。文献[Y.-H.Kim et al.，Experimental entanglement concentration and universal Bell-state synthesizer，Phys.Rev.A67，010301(R)(2003)]中提出了一种干涉纠缠浓缩(entanglement concentration)的方案，即将两纠缠光子在PBS上进行干涉，使光谱相同的光子在同一探头被探测，这样o光和e光的时间可区分性对偏振纠缠不会产生影响。所以不需要窄带滤波片即可获得高保真度的纠缠态。但是添加PBS增加了纠缠光子源的调节难度。 

2、另一种纠缠光子源采用I型相位匹配，需要两块相邻的I型晶体，其光轴方向互相垂直，即第一(二)块晶体光轴和泵浦激光组成竖直(水平)平面，出射光子的轨迹为以泵浦激光为中心的同心圆(如图2所示)。根据I型相位匹配，竖直(水平)偏振的泵浦激光只会在第一(二)块晶体产生下转换。如用45度偏振的泵浦激光泵浦，则在两块晶体中产生的光子数相同，若能同时收集到两块晶体的光，则收集到光子对的量子态为 该源的一个优点是可以方便的产生非最大纠缠态，只需采用非45度偏振的泵浦激光。但晶体厚度必须很薄，使得能够同时收集到两块晶体的光而不需要空间补偿。并且和普通II型纠缠光子源类似，只能收集到两圆环上一小部分下转换光子，因此亮度较低。