[发明专利]基于PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统

说明书

本发明公开了一种基于PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统，其包括泵浦光源1、泵浦光传输模块、纠缠装置4、第一收集装置5‑1和第二收集装置5‑2。其中，第一收集装置5‑1和第二收集装置5‑2在结构上不对称。第一收集装置5‑1包括第一多模光纤、时间滤波单元6和空间滤波单元8，且所述时间滤波单元6位于所述空间滤波单元8前方。第二收集装置5‑2中包括空间滤波单元9和第二多模光纤。借助本发明，可以以精简的结构稳定地提供高偏振对比度、高亮度和品质的纠缠光。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及基于PPKTP晶体的多模接收小型化纠缠源系统。

背景技术

量子纠缠的概念最早由薛定谔和著名的EPR佯谬提出，是近些年物理学和信息通信等学科的研究热点。量子纠缠的特殊性质使其在量子计算、量子保密通信、量子隐形传态等方面具有显著的应用价值。迄今为止，在腔QED、离子阱、量子点等体系中均可以产生纠缠态，但基于光学体系的纠缠态最容易实现高速率和高亮度，因而被广泛应用研究。

到目前为止，利用非线性晶体中的自发参量下转换(SPDC)过程产生纠缠光子对是最成熟的方法，例如参见中国专利文献CN201721027813.5和CN201110170177.2。SPDC是强泵浦光在非线性介质中与量子真空噪声导致的自发辐射进行参量震荡所产生的，即：一个高频抽运光子以某一概率自发地分裂为一对低频的下转换光子——信号光子、闲频光子。后来，又出现了利用PPKTP(周期极化KTiOPO4)、PPLN(周期极化LiNbO3)等周期极化的非线性晶体和准相位匹配技术产生纠缠光子对的方案，例如参考中国专利文献CN201810955748.5。准相位匹配(QPM)技术是一种通过对光学晶体非线性极化率进行周期性调制来补偿由于折射率色散所造成的光波之间相位失配的技术。

传统的非线性纠缠源的制备方法是通过硼酸钡(BBO)非线性晶体进行参量下转换，再经过薄晶体和波片进行横向和纵向走离效应的补偿，产生较好的纠缠源。2004年麻省理工学院的科学家利用周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体将纠缠源的亮度再次大幅度提升。在实验室条件下，利用PPKTP晶体和Sagnac干涉环技术已经使得纠缠源的亮度达到一个很佳的效果，近年来，基于准相位匹配技术的PPKTP晶体纠缠源已经成为高亮度、高品质纠缠源的一个绝佳选择。

因此，现有技术陆续提出了一些基于PPKTP晶体的纠缠源系统。例如，在CN201810955748.5号中国专利中公开了一些纠缠源结构，如图1所示。在“基于周期极化KTiOPO₄晶体的高亮度纠缠源研制”(物理学报)中公开了一种基于PPKTP晶体的纠缠源结构，其中提出在PPKTP晶体中产生偏振方向正交的一对参量光之后，利用双色镜和长通滤波片将泵浦光与参量光分离，再利用PBS将参量光子对分离，并耦合至单模光纤中，并指出其亮度比传统基于BBO晶体的纠缠光源可以提高一个数量级以上，如图2所示。在“基于百公里量子通信实验的可移动式一体化纠缠源”中也公开了一种基于PPKTP晶体的纠缠源结构，其中指出可以利用空间滤波和模式匹配技术将基于BBO晶体的纠缠源的亮度提高至1000cps/mw。但是，采用此方案的量子纠缠源系统仍然不能获得满意的偏振对比度和亮度，采用图3所示的基于PPKTP晶体的纠缠源结构可以将其亮度提高一个数量级以上。

通过对现有技术方案进行分析可以发现，现有的基于PPKTP晶体的偏振纠缠源系统在输出光学性能(例如偏振对比度、亮度及品质等)、性能稳定性、以及经济性等方面存在不足，仍有待提高。

例如，现有纠缠源系统普遍采用单模接收纠缠光，但是单模光纤具有相对高的成本，且耗电多，怕弯曲，对熔接要求高，容易产生附加损耗，对清洁要求高；并且，现有技术在两侧收集装置中采用完全对称的器件结构，这使得系统中器件数量较多，在一定程度上造成资源的浪费。上述问题尤其在实验和教学环境下会导致系统输出光学性能不稳定和经济性问题。同时，由收集装置输出的纠缠光在偏振对比度、亮度和品质上仍有待提高。

发明内容