[发明专利]一种量子干涉探测芯片及其测试系统

说明书

本发明涉及一种量子干涉探测芯片，包括耦合光栅、输入定向耦合器、光栅模式分束器、输出定向耦合器和超导纳米线单光子探测器，耦合光栅用于将片外由自发参量下转换产生的纠缠光子对分别耦合进片上输入定向耦合器的两个输入端口；输入定向耦合器用于将输入的纠缠光子对转变成一个横电基模光子和一个横电二阶模光子；光栅模式分束器对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有分光特性，实现模式上的双光子干涉；输出定向耦合器用于将模式干涉结束的一对同为横电基模或者横电二阶模的光子传输至某一输出端口；超导纳米线单光子探测器在低温下吸收一对光子并转换成电流信号被外围测试设备探测。本发明能够提高集成量子光路的密集度。

技术领域

本发明涉及集成量子光学技术领域，特别是涉及一种量子干涉探测芯片及其测试系统。

背景技术

集成量子光学的发展将自由空间的量子光学实验平台缩小到了芯片尺度，从而为演示大规模量子计算提供了可能。但是，目前集成量子光路主要是由路径编码信息的波导干涉仪所构成的量子网络，而这种量子光路难以轻易地被大规模扩展。为了尽可能在简化量子计算架构或者提高量子通信信道安全性和抗噪声能力的情况下实现可扩展性，可以适当增加当前量子光学系统的操作维度，同时使用光的多个自由度，比如光的波导模式，偏振，时间，频率等性质。这些自由度已经在自由空间和光纤量子系统中被探索过，比如用于对量子比特的编码，因此也可以将这些自由度应用到集成量子光路中来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种量子干涉探测芯片及其测试系统，提高集成量子光路的密集度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种量子干涉探测芯片，包括依次连接的耦合光栅、输入定向耦合器、光栅模式分束器、输出定向耦合器和超导纳米线单光子探测器，所述耦合光栅用于将片外由自发参量下转换产生的纠缠光子对分别耦合进片上输入定向耦合器的两个输入端口；所述输入定向耦合器用于将输入的纠缠光子对转变成一个横电基模光子和一个横电二阶模光子；所述光栅模式分束器对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有分光特性，实现模式上的双光子干涉；所述输出定向耦合器用于将模式干涉结束的一对同为横电基模或者横电二阶模的光子传输至某一输出端口；所述超导纳米线单光子探测器在低温下吸收一对光子并转换成电流信号被外围测试设备探测。

所述输入定向耦合器为模式复用区，所述模式复用区包括两个输入端口，其中一个输入端口为多模波导的输入端，另一个输入端口为普通波导的输入端，在满足相位匹配条件时，所述普通波导中的横电基模光子会耦合进所述多模波导中并转化为横电二阶模光子。

所述光栅模式分束器为模式干涉区，所述对入射的横电基模光和横电二阶模光都具有0.5:0.5的分光特性，当干涉结果为产生两个横电基模光子时，两个横电基模光子将会都被所述输出定向耦合器的一个输出端口处的超导纳米线单光子探测器所吸收；当干涉结果为产生两个横电二阶模光子，两个横电二阶模光子会被所述输出定向耦合器的另一个输出端口处的超导纳米线单光子探测器所吸收。

所述输出定向耦合器为模式解复用区，所述模式解复用区包括两个输出端口，两个输出端口均通过各自的波导与超导纳米线单光子探测器相连。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于量子干涉探测芯片的测试系统，包括连续波激光器、磷酸氧钛钾晶体、第一偏振分束器和上述的量子干涉探测芯片；所述连续波激光器对所述磷酸氧钛钾晶体进行泵浦，通过自发参量下转换将入射光子转变成纠缠光子对，所述第一偏振分束器将纠缠光子分为两路，一路通过依次通过四分之一波片、半波片和透镜与所述量子干涉探测芯片中的一个耦合光栅耦合，另一路依次通过四分之一波片、半波片、延时光路和透镜与所述量子干涉探测芯片中的另一个耦合光栅耦合；所述量子干涉探测芯片的输出端经过T型偏置器和放大器后接入计数器进行事件计数，其中，所述量子干涉探测芯片放置在恒温器中。

所述连续波激光器与磷酸氧钛钾晶体之间依次设有前置四分之一波片、前置半波片、第二偏振分束器、后置四分之一波片、后置半波片和透镜。