波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源及生成方法
【专利摘要】本发明属于量子【技术领域】。为提供一种波长可调和频谱可控的、具有小型化、低成本和高纯度特征的量子关联光子对源。为此，本发明采用的技术方案是：使用950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲激光作为泵浦光；通过选择具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤作为非线性介质，并通过调谐泵浦光的中心波长和带宽，由非线性介质中的自发四波混频过程产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对。本发明主要应用于量子技术场合。
【专利说明】波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源及生成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于量子【技术领域】，具体涉及波长可调和频谱可控的小型化量子关联光子对源制备，以及量子关联光子对在量子态制备等量子信息技术中的应用
【背景技术】
[0002]量子关联光子对是指在时间、能量、动量及偏振等自由度上具有量子关联特性的一对光子，通常也可简称为关联光子对。利用量子关联光子对可以制备多种量子态:例如，可通过特定的相位匹配技术或后选择技术，制备时间、频率、偏振等不同维度的光子纠缠态；还可利用光子对中一个光子的探测信号来宣布另一个光子的存在，制备宣布式单光子态。研究表明，纠缠光子和单光子是实现量子密钥、量子测量、量子计算等量子信息技术的基础，因此量子关联光子对源被视为量子信息【技术领域】中的一种关键资源。
[0003]量子信息技术对量子关联光子对源的基本要求是亮度高(即单位时间、单位模式内的关联光子对产生率高)和保真性好(即关联光子对纯度高、噪声光子少);同时，量子信息技术的实用化发展还要求量子关联光子对源具备小型化和低成本化的特点。而针对量子关联光子源的输出特性，则包括两个重要的特征指标，即输出关联光子对的波长调谐、波段覆盖能力以及关联光子对的频谱关联特性。
[0004]量子关联光子对的波长调谐和波段覆盖能力决定了其在量子信息技术中的应用范围。例如，在量子密钥应用中，将信息编码于通讯波段光子、并利用现有光纤网络进行传输是实现密钥长距离、高效率分发的理想解决方案；若量子关联光子对源的输出波长覆盖常用通讯波段并可以进行连续的全波段调谐，就可以利用波分复用技术将不同波长的光子同时耦合进光纤进行传输，从而拓展信道容量。在量子中继应用中，通过光子与原子体系的相互作用来进行信息的存储和交换，这就需要光子的波长和带宽与原子谱线精确地匹配，因此要求量子关联光子对源具备较大波段覆盖范围和调谐能力。在精密测量应用中，量子关联光子对被用来对单光子探测器的量子效率进行绝对标定和对光纤的偏振模色散等进行精确测量，关联光子对的波长则决定了这些测量手段的适用波段。
[0005]量子关联光子对的频谱关联特性是指光子对中信号和闲频光子间所表现出的频率关联性，量子信息技术应用中往往要求量子关联光子对具有特定的频谱关联性。例如，在量子增强的定位技术和时钟校准技术中，要求量子关联光子对具有频率正相关的频谱特征；在可消除介质色散影响的量子相干层析等应用中，则要求量子关联光子对具有频率反相关的频谱特征；而在基于线性光学的量子计算等应用中，量子关联光子对被用作宣布式单光子参与量子干涉，为了提高干涉的可见度，则要求光子对间不存在任何频谱关联性。
[0006]目前，量子关联光子对源的有效制备途径之一是非线性介质中由脉冲光或连续光泵浦的自发光学参量过程。常用的自发光学参量过程包括x(2)非线性介质(主要包括块状或具有波导结构的非线性晶体等)中的自发参量下转换以及X (3)非线性介质(主要包括各类光纤等)中的自发四波混频。在自发参量下转换或自发四波混频过程中，来源于强泵浦光的一个或两个光子湮灭，同时产生一对量子关联光子对。通常将每对光子对中频率较泵浦光下移的光子称为信号光子、频率较泵浦光上移光子称为闲频光子。
[0007]自发光学参量过程所产生的量子关联光子对，其波长特性和频谱关联特性主要取决于非线性介质的特性(包括色散、长度等)和泵浦光的参数。量子关联光子对的联合频谱函数f(?s，COi)正比于产生一对频率分别为0^和COi的信号和闲频光子对的几率振幅，可反映光子对的波长特性和频谱关联特性。以光纤中由高斯脉冲光泵浦的自发四波混频过程为例，所产生关联光子对的联合频谱函数可表示为:
[0008]
【权利要求】
1.一种波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，使用950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲激光作为泵浦光；通过选择具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤作为非线性介质，并通过调谐泵浦光的中心波长和带宽，由非线性介质中的自发四波混频过程产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对。
2.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，使用的950nm至1150nm波段中心波长和带宽均可调谐的脉冲泵浦光，其实现途径是:使用基于掺镱或掺钕光纤的锁模脉冲激光器和放大器作为泵浦光源，通过将激光器或放大器的输出经过可调谐滤波器件进行滤波而得到；若激光器或放大器的输出带宽不足以覆盖上述波段，则将激光器或放大器的输出先通过一段光纤展宽为超连续谱后再施行滤波。
3.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，量子关联光子对的波长调谐具体通过以下两种不同的途径分别实现:(I)选择具有恒定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤，以产生具有大频率失谐特征的量子关联光子对，光子对中信号光子或闲频光子与泵浦光之间的频率失谐最大值超过40THz、且该频率失谐随泵浦光波长的改变，在数THz至失谐最大值之间连续变化，从而通过改变泵浦光波长实现对光子对波长的调谐；(2)使用具有不均匀纤芯直径的光子晶体光纤或微纳光纤，即光子晶体光纤或微纳光纤成品的纤芯直径从光纤的一段到另一端具有随长度增大或减小的变化，其变化幅度不超过初始参数值的10%，以使所产生的关联光子带宽大于相应的均匀光纤，从而在不改变泵浦光波长的情况下，通过可调谐滤波器对关联光子对进行滤波，实现对关联光子对波长的调谐。
4.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，产生具有大频率失谐特征的量子关联光子对所需的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数取值范围如下，对于光子晶体光纤，纤芯直径d需取值0.7 μ m至8 μ m之间，包层空气比f取值则随纤芯直径d和 对输出光子对波长的需求而变化:当纤芯直径d为0.7 μ m至1.2 μ m时，f取60%至100%，当纤芯直径d为1.2 μ m至1.6 μ m时，f取35%至80%，当纤芯直径d为1.6 μ m至4 μ m时，f取10%至60%,当纤芯直径d为4 μ m至8 μ m时，f取10%至100% ;对于微纳光纤，纤芯直径d需取值0.7μπι至1.2μπι之间。
5.如权利要求1所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对生成方法，其特征是，量子关联光子对的频谱控制具体通过以下途径实现:选择纤芯直径d在1.6 μ m至2.5 μ m间，包层空气比f在20%至50%间的光子晶体光纤，使其色散满足τ s τ 的条件，其中八I =KH，为传播常数在泵浦光中心频车《处的一阶导数，为传播常数在信号光子中心频率处的一阶导数P力传播常数在闲频光子中心频率》处的一阶导数；在τ s τ 的条件下，相位匹配函数具有正相关的频谱特征，若泵浦光的带宽0￡)和光纤长度1^满足$2=-0.193〖.2^，则使关联光子对具有近似不相关的频谱，若满足σ;2<~0.193Ζ^，则使关联光子对具有近似正相关的频谱，若满足￡7；2>-0.193L2h，则使关联光子对具有近似反相关的频谱，从而实现对关联光子对频谱的控制。
6.一种波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其结构为:基于掺镱或掺钕光纤的锁模脉冲激光器、放大器以及基于单模光纤的超连续谱产生装置，用于产生脉冲泵浦光；具有特定微结构参数的光子晶体光纤或微纳光纤，用于产生波长可调和频谱可控的量子关联光子对；滤波装置，用于将产生的量子关联光子对与剩余泵浦光有效分离并滤波输出。
7.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，用于产生波长可调量子关联光子对的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数取值范围为:对于光子晶体光纤，纤芯直径d需取值0.7 μ m至8 μ m之间，包层空气比f取值则随d和对输出光子对波长的需求而变化:当d为0.7μπι至1.2μπι时，f取60%至100%，当d为1.2μπι至1.6 μ m时，f取35%至80%,当d为1.6 μ m至4 μ m时，f取10%至60%,当d为4 μ m至8 μ m时，f取10%至100% ;对于微纳光纤，纤芯直径d需取值0.7μπι至1.2μπι之间。
8.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，用于产生波长可调量子关联光子对的光子晶体光纤或微纳光纤，其微结构参数是均匀的，或者微结构参数存在随光纤长度而变化的线性或随机的起伏，参数起伏幅度不超过参数值的10%。
9.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，用于产生频谱可控量子关联光子对的光子晶体光纤，其纤芯选择直径在1.6 μ m至2.5 μ m间，包层空气比f在20%至50%间，以使其色散满足τ s τ ^0的条件，其中= k(；] -k%0为传播常数在泵浦光中心频率ωρ与信号信号光子中心频率cos(i)处的一阶导数之差；在τ s τ ,<0的条件下，相位匹配函数具有正相关的频谱特征，若泵浦光的带宽σρ和光纤长度L满足σ;2 =-0.193?，使关联光子对具有近似不相关的频谱，若满足σρ_2<-0.193Ζ?^，使关联光子对具有近似正相 关的频谱，若满足>-0_l93L\r;，使关联光子对具有近似反相关的频谱，从而实现对关联光子对频谱的控制。
10.如权利要求6所述的波长可调和频谱可控小型化量子关联光子对源，其特征是，滤波装置由光纤波分复用滤波器或可调谐光纤滤波器光纤器件构成，或采用包括色散棱镜、光栅、带通滤光片的自由空间器件。
【文档编号】G02F1/365GK103901700SQ201410095747
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】李小英, 崔亮 申请人:天津大学