[发明专利]一种能量-时间纠缠双光子产生方法

说明书

一种能量‑时间纠缠双光子产生方法，属于量子信息科学技术领域。包括：步骤一、发射泵浦光；步骤二、将泵浦光进行调整后送至二阶非线性晶体或晶体波导，在二阶非线性晶体或晶体波导中发生级联光学倍频和自发参量下转换的二阶非线性过程，生成能量‑时间纠缠双光子对；其中对泵浦光的调整包括调整泵浦光的功率、偏振方向和进行滤波；步骤三、对二阶非线性晶体或晶体波导发出的光进行分光滤波和波长选择，将剩余的泵浦光子和步骤二生成的能量‑时间纠缠双光子对分开；步骤四、从步骤三滤出的能量‑时间纠缠双光子中分离并提取信号光子和闲频光子。通过本发明的方法制备出的光源具有高效率、小型化、实用化、易与光纤系统集成等特点。

技术领域

本发明属于量子信息科学技术领域，涉及一种基于级联二阶非线性光学过程的能量-时间纠缠双光子产生方法。

背景技术

能量-时间纠缠的双光子由于其独特的量子特性，在量子信息科学领域具有广泛的应用价值。能量-时间自由度纠缠光子可支持高维量子信息编码，比如频率片、时间片等。相比于偏振纠缠、离散时间片纠缠等量子光源，通讯波段的能量-时间纠缠双光子可能在复杂环境下保持长距离和大容量的稳定传输，利用这一特点，可以将能量-时间纠缠双光子源应用到量子雷达、量子密码学、量子隐形传态、量子密钥分发、量子密集编码等方面。

目前，制备能量-时间纠缠双光子源的常见方法是利用非线性晶体中的自发参量下转换过程产生纠缠光子对，具体而言，一个泵浦光子平行于非线性晶体的主轴入射到非线性晶体中，在一定概率下，泵浦光子湮灭生成两个频率更低的光子，即信号光子和闲频光子，此过程满足能量守恒和动量守恒。用此方法制备能量-时间纠缠源，目前通常使用块状的体光学器件搭建而成，需要配合使用自由空间光路，要求精密的光学对准和稳定的实验环境，在实现高收集效率、器件进一步小型化和应付极端环境应用等方面存在局限；同时，需要使用波长跨度很大的光学元器件增加整个系统的复杂性。因此，人们需要更加易于制备、小型化、实用化等功能更优化的能量-时间纠缠双光子源。

发明内容

针对上述传统能量-时间纠缠双光子产生方法存在的效率低和对器件、环境要求高的不足之处，本发明提出一种能量-时间纠缠双光子产生方法，能够使用通讯波段的成熟器件来制备能量-时间纠缠双光子源，该方法基于级联二阶非线性晶体或晶体波导中的倍频过程和自发参量下转换过程，使用本发明方法的装置具有易于组装、小型化、实用化、可光纤器件集成等特点。

本发明的技术方案为：

一种能量-时间纠缠双光子产生方法，包括如下步骤：

步骤一、发射泵浦光；

步骤二、将所述泵浦光进行调整后送至二阶非线性晶体或晶体波导，在所述二阶非线性晶体或晶体波导中发生级联光学倍频和自发参量下转换的二阶非线性过程，生成能量-时间纠缠双光子对；

其中对所述泵浦光的调整包括：

A、调整所述泵浦光的功率；

B、调整所述泵浦光的偏振方向，使得泵浦光以平行于所述二阶非线性晶体或晶体波导偏振主轴的方向进入所述二阶非线性晶体或晶体波导；

C、对所述泵浦光进行滤波，滤除多余噪声；

步骤三、对所述二阶非线性晶体或晶体波导发出的光进行分光滤波和波长选择，将剩余的泵浦光子和步骤二生成的能量-时间纠缠双光子对分开；

步骤四、从步骤三滤出的能量-时间纠缠双光子中分离并提取信号光子和闲频光子。

具体的，所述步骤一中首先利用激光泵浦光源产生稳定连续的泵浦光，再利用强度调制器将稳定连续的泵浦光调制为准连续的泵浦光输出。

具体的，所述激光泵浦光源为光纤耦合的连续激光器，包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及染料激光器中的任何一种商用连续激光器，能产生持续的泵浦光，中心波长范围为1530nm～1600nm。