[发明专利]非线性光子晶体的双光子频率和离散路径超纠缠产生方法

说明书

本发明提供了一种基于非线性光子晶体的双光子频率和多对离散路径的超纠缠产生方法，泵浦光沿着正z方向正入射至非线性光子晶体表面，经过相互作用后生成信号光和闲置光，信号光和闲置光满足频率和多对离散路径的超纠缠关系。该非线性光子晶体选用具有二维结构、室温、Ι类相位匹配(e→o+o)条件下的5％氧化镁(MgO)掺杂的铌酸锂(LiNbO₃)晶体。对本发明提供的非线性光子晶体及其双光子频率和多对离散路径的超纠缠产生方法进行仿真，验证本发明可以产生最大纠缠态且其他参量过程被有效抑制，生成质量较高的超纠缠态。

技术领域

本发明涉及量子纠缠生成技术领域的非线性光子晶体设计技术，具体地，涉及一种二维非线性光子晶体及其双光子频率和多对离散路径超纠缠产生方法，是一种二维非线性光子晶体及其直接产生双光子频率和多对离散路径超纠缠的设计方案。

背景技术

量子纠缠是量子世界的一个重要特征，它描述的是粒子或粒子组之间的、不受距离限制的一种关联特性。量子纠缠对于量子信息处理中的许多应用都是必不可少的量子资源，它被广泛地用于量子密钥分发、量子隐形传态、量子纠缠交换和中继、量子精密计量等方面。

超纠缠是一种高维量子纠缠，指的是粒子或粒子组之间在两个及两个以上的维度上的同时量子纠缠。相比于普通的量子纠缠源，超纠缠源的用途更大，它可以实现四种贝尔态的完整区分，实现单光子双量子比特CNOT门，实现双量子比特交换门等。除此之外，超纠缠还可以提高许多量子应用的性能，例如实现更安全的量子密钥分发、实现超密集编码等。

2002年，M.Genovesea和C.Novero设计了偏振和时间的超纠缠源；2003 年，陈增兵教授等人设计了偏振和路径的超纠缠源；2019年浦项科技大学团队实验制备了光子轨道角动量和偏振的超纠缠源。

有效产生纠缠的标准技术是在非线性介质的二阶非线性极化系数的作用下产生自发参量下转换(Spontaneous parametric down-conversion,SPDC)过程。自发参量下转换是指二阶非线性光子晶体中泵浦光(频率为ω_P)和非线性晶体相互作用生成信号光(频率为ω_S)和闲置光(频率为ω_I)的非线性参量过程，它在1970 年由Burnham和Weinberg两位科学家首次发现。由于非线性光子晶体中二阶非线性极化系数χ⁽²⁾非常小，所以为了保证光学自发参量下转换过程的转化效率，输入泵浦光的强度应足够大。在二阶非线性晶体中，泵浦光子按一定的概率和二阶非线性光子晶体发生相互作用，而后泵浦光子湮灭，产生新的信号光子和闲置光子，其中信号光子和闲置光子的能量来自于湮灭的泵浦光子。自发参量下转换过程的实现必须需要满足能量守恒条件(ω_P＝ω_S+ω_I)，不是必须满足动量守恒条件当动量守恒条件不完全满足时，自发参量下转换过程也可以实现，只是效率特别低，只有当动量守恒条件完全满足时，也就是非线性参量过程具有完美相位匹配时，自发参量下转换过程的转换效率才会达到最大。目前光学自发参量下转换过程是制备光子纠缠源的主要方法，主要是因为它稳定，生成的光信号强度高，且生成的光子对具有纠缠特性。

准相位匹配(Quasi-phase matching)是一种通用的解决相位匹配条件的方法，可以很好地解决SPDC过程的相位匹配问题。准相位匹配的思想是通过调节非线性光子晶体的结构使其非线性耦合系数周期变化。在一块非线性晶体上，根据晶体的位置周期性反转晶体的光轴，这样晶体的非线性耦合系数也随着晶体位置周期性反转，这个过程也被称作为晶体的周期性极化，周期性极化的晶体可以补偿参量过程非零的波矢量适配量因此该方法可以有效地增加参量过程的效率。

但是，现有技术不曾设计双光子频率和路径超纠缠源，更未曾利用二维非线性光子晶体直接构造出双光子频率和多对离散路径的超纠缠源。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种二维非线性光子晶体及其双光子频率和多对离散路径超纠缠产生方法。