[发明专利]多对双组份量子纠缠态的微环谐振腔及制备方法

说明书

本发明提供了一种多对双组份量子纠缠态的微环谐振腔及制备方法，所述微环谐振腔由耦合信道和微环构成，所述微环为三阶非线性效应的微环；用连续光泵浦所述微环谐振腔，泵浦光从所述耦合信道提供的输入端口进入所述耦合信道，所述耦合信道中的部分泵浦光被耦合进所述微环内，经过相互作用后生成多对信号光和闲置光，生成的多对信号光和闲置光满足纠缠关系。本发明微环谐振腔可以由具有较高非线性系数、集成度高、性能稳定的Si₃N₄材料制成。对本发明提供的多对双组份量子纠缠态制备方法进行仿真，验证本发明可以产生高质量的多对双组份量子纠缠态。

技术领域

本发明涉及量子光学、非线性光学和微纳光学技术领域，具体的，涉及一种多对双组份量子纠缠态的微环谐振腔，以及采用该微环谐振腔制备多对量子纠缠态的设计方案。

背景技术

量子纠缠是量子力学中最重要的特征之一，它描述了粒子之间不受距离限制的关联性，具有纠缠关系的两个或者更多粒子，无论这些粒子在空间中相距多远，如果其中一个粒子的状态发生变化，那么其他粒子的状态也会发生变化。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，被广泛地应用于量子精密计量、量子密钥分发、量子隐形传态、量子密集编码等方面。

随着量子技术的发展，量子通信系统的集成度越来越高，通信系统中进行通信的用户也越来越多，对作为通信系统中信号源的量子纠缠源的要求也越来越高，需要集成化的、并且能够同时制备出多对纠缠态的量子纠缠源。一个能够制备出二维纠缠态甚至是高维纠缠态的纠缠源，在某一时刻只能产生一个纠缠态，不能同时产生多个纠缠态，无法实现多用户同时分别进行通信。但是一个能够同时产生多对量子纠缠态的纠缠源，在一个系统中可以很容易实现多个用户同时分别通信。除此之外，能够同时产生多对量子纠缠态的纠缠源还可以提高其他量子应用的性能，比如可实现更复杂的量子信息处理算法、实现更安全的量子加密协议等。

2007年，S.E.Harris通过非线性晶体铌酸锂(LiNbO₃)制备的光子对在很宽的频带上满足时间-能量纠缠，但是这种纠缠源相对微环谐振腔，体积较大，难以集成。2017年，Michael Kues等人，通过微环谐振腔制备出了高维量子纠缠态，但是该纠缠源在同一时刻，只能产生一对纠缠态，不能同时产生多对纠缠态。2019 年，V.D.Vaidya和B.Morrison等人，设计出的氮化硅微环谐振腔结构能够在很宽的频带范围内产生压缩光，但没有制备出纠缠态。

三阶非线性光学效应是光学四波耦合过程，常见的三阶非线性光学效应包括三次谐波，四波混频，相位共轭等。有效产生纠缠的技术是在非线性材料的三阶非线性极化系数的作用下发生自发四波混频(Spontaneous Four-Wave Maxing， SFWM)过程。由于SFWM过程性能稳定并且产生的光信号强度高，所以SFWM 是制备纠缠光子对的有效方法。自发四波混频是指两个泵浦光子(频率是Ω_p)和非线性材料相互作用后，生成一个信号光子(频率是Ω_s)和一个闲置光子(频率是Ω_i)的非线性过程。Si₃N₄材料具有较高的非线性系数，体积小，损耗低，并且与CMOS工艺相兼容等优势，这为通过氮化硅微环谐振腔来制备纠缠光子对的实现提供了可能。泵浦光以一定的概率被耦合进微环谐振腔内，经相互作用后，两个泵浦光子湮灭，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都来自湮灭的两个泵浦光子。SFWM过程的实现要满足能量守恒条件 (2Ω_p＝Ω_s+Ω_i)，和相位匹配条件(2k_p＝k_s+k_i)。

但是，现有技术设计的氮化硅微环谐振腔无法同时满足多个SFWM发生的相位匹配条件，更未曾直接利用氮化硅微环谐振腔同时制备出多对量子纠缠态。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多对双组份量子纠缠态的微环谐振腔及制备方法。