[发明专利]一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法

说明书

本发明公开了一种提高量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法，包括以下步骤：采用由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构；利用脉冲激光对所述级联结构进行泵浦，通过级联结构中的级联自发参量过程产生量子关联光子对；所述量子关联光子对强度在不同波长处发生周期性的干涉相长和相消；干涉相长和相消对应的波长可通过改变色散介质的长度进行调谐；使用滤波和收集装置，将干涉相长所对应波长处的量子关联光子对进行收集和输出。本发明基于由一段非线性介质、一段色散介质和一段非线性介质依次构成的级联结构，通过脉冲激光泵浦的级联自发参量过程，提高所产生量子关联光子对模式纯度和收集效率的方法。

技术领域

本发明属于光量子技术领域，具体涉及量子关联光子对的制备，以及以量子关联光子对为基础的纠缠光子和单光子的制备。

背景技术

量子关联光子对(简称关联光子对)是指在时间——能量自由度上具有量子关联特性的一对光子，是量子信息技术中的关键资源之一。基于关联光子对，不仅可以通过特定的相位匹配或后选择等技术，制备时间、频率、偏振等不同维度的纠缠光子，还可以利用光子对中一个光子的探测信号来宣布另一个光子的存在，制备宣布式单光子，从而满足量子信息技术的需求。

非线性介质中的自发参量过程是制备关联光子对的有效途径，已得到了广泛应用。常用的自发光学参量过程包括χ⁽²⁾二阶非线性介质中的自发参量下转换过程以及χ⁽³⁾三阶非线性介质中的自发四波混频过程。在自发参量下转换或自发四波混频过程中，来源于强泵浦光的一个或两个光子湮灭，同时产生一对量子关联光子对(也称为孪生光子对)。所产生的关联光子对通常分别称之为信号光子和闲频光子，在经过滤波和收集装置后，两者被分别输出。

非线性介质中的自发参量过程可使用连续激光或脉冲激光对非线性介质进行泵浦。与连续光相比，脉冲光具有峰值功率高、重复频率恒定等特点。对于脉冲光泵浦参量过程的量子关联光子对源，关联光子对的产生时间被精确限定在泵浦脉冲的持续时间内，有助于不同关联光子对源间的时间同步，从而实现独立光源间的量子干涉。被泵浦的非线性介质可以是块状介质(如块状非线性晶体)或波导介质(如光纤、具有波导结构的非线性晶体等)。对于块状介质，其产生的关联光子对通常不具有单一的空间模式，因而造成光子对的滤波和收集过程较为复杂；对于波导介质，可通过利用单模波导使产生的关联光子对具有单一的空间模式，从而为光子对的滤波和收集提供方便。

以下的背景技术说明以由高斯脉冲泵浦的单模光波导中的自发四波混频过程为例。该过程所产生的关联光子对可使用如下的联合频谱函数描述：

联合频谱函数F(ω_s,ω_i)正比于产生一对频率分别为ω_s和ω_i的信号和闲频光子对的几率振幅，可表示为泵浦脉冲包络函数(乘号前部分)和相位匹配函数(乘号后部分)的乘积。泵浦脉冲包络函数中的ω_p为泵浦光的中心频率，σ_p为泵浦光的带宽，信号、闲频光子和泵浦光的波长与频率的关系为λ_j＝2πc/ω_j(c代表光速)。相位匹配函数中的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、信号和闲频光子的传播常数，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。经过收集和滤波过程后，若使用f_s(ω_s)表示信号光子通道的滤波器透射谱，f_i(ω_i)表示闲频光子通道的滤波器透射谱，则关联光子对的频谱可以表示为f_s(ω_s)f_i(ω_i)F(ω_s,ω_i)。