一种利用非线性光学晶体制备光子对的方法与流程

本发明涉及非线性光学和量子光学
技术领域：
，尤其涉及一种利用非线性光学晶体制备光子对的方法。
背景技术：
在20世纪末，人类步入了信息化社会，信息在人们的日常生活中，起着越来越重要的作用。量子信息是20世纪末期新生的量子力学与信息科学的交叉学科，同时也是21世纪最重要的战略研究领域之一，它有望为信息科技的持续发展开辟出新的原理和方法。量子信息的研究对象主要是量子态的制备与操作，包括量子通信、量子计算、量子成像、量子隐形传态、量子存储等。在量子信息的处理过程中，总离不开量子态及其演化过程。其中，单光子量子态是量子信息中最基本的量子态，其同时也是现代量子信息处理的基础和出发点。目前，最常用的制备单光子量子态的方法是自发参量下的转换。在自发参量下转换过程中,能量高的泵浦光子“分裂”成两个能量低的光子,即信号光子和闲置光子,又称双光子或光子对.由于自发参量下转换过程中能量和动量守恒,双光子在频率上通常是关联的.然而,对于量子计算或玻色子采样等诸多量子信息处理应用,必须使用频率无关联的双光子,才能让独立光子源之间的量子干涉具有高可见度,进而以高的保真度实现量子信息处理协议.因此,从自发参量下转换过程制备频域无关联的双光子态(即频域纯态)是非常重要的.因为只有消除了这种频率上的关联，才能在量子干涉中获得高的干涉分辨率。当这种频率上的关联被消除掉的时候，双光态在频域上就是纯态。目前主要有两种方法消除这种频域上的关联：一种是使用带通滤波片对信号光和闲置光做频域的过滤，从而得到纯态。这种方法操作方便，但是能量损耗很大，会严重降低光源的亮度。另一种方法是设计特别参量下的转换过程，从而在转换过程中直接制备出频域上的纯态，不需要使用任何带通滤波片。因此，如何在保证光源亮度的基础上，简单地制备出频域上是纯态的光子对是亟需解决的问题。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种利用非线性光学晶体制备光子对的方法，在保证光源亮度的基础上，简单地制备出频域上是纯态的光子对。本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用非线性光学晶体制备光子对的方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：将波长λp的泵浦光以照射角θ照射在非线性光学晶体表面，得到包含信号光和闲置光的光子对光束；步骤2：将所述光子对光束经过长波通滤光片进行滤光处理；步骤3：将经过滤光处理的光子对光束经过偏振分束器进行光束分离处理，分别得到频域上纯态的闲置光和信号光；其中，所述泵浦光的波长λp与照射的角度θ之间满足以下关系：vp[λp,θ]＝vs[λs]λp为泵浦光波长，λs为信号光波长，λi为闲置光波长，ne[θ,λp]为泵浦光的折射率，no[λs]为信号光的折射率，ne[θ,λi]为闲置光的折射率，vp(λp,θ)为泵浦光的群速度，vs(λs)为信号光的群速度。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：进一步：所述非线性光学晶体为磷酸二氘钾。上述进一步方案的有益效果是：磷酸二氘钾能满足群速度匹配条件，可以通过这种晶体中制备出纯度大于0.97的频域高度无关联的纯态光子对。进一步：所述泵浦光波长λp的范围为450-500nm，所述照射角θ的范围为49.8-80.2度，所述闲置光和信号光在频域上的纯度大于0.97。进一步：所述泵浦光波长λp为476.2nm，所述照射角θ为57.6度，所述闲置光的波长λs等于所述信号光的波长λs。上述进一步方案的有益效果是：该波长时，信号光和闲置光波长相等，磷酸二氘钾晶体满足群速度匹配条件，在制备出纯度大于0.97的频域高度无关联的纯态光子对的同时，便于波长相等的信号光和闲置光进行后续干涉等用途。本发明的有益效果是：本发明的光子对的制备方法，将波长λp的泵浦光以特定的照射角θ照射在非线性光学晶体上，得到纯度较高的光子对，由于非线性光学晶体的双折射性质使得非线性光学晶体在合适的波长范围内满足特定的群速度匹配关系，因而其可制备出频域上是纯态的光子对。此外，由于本发明不需要像现有方法那样使用带通滤波片对得到的光子对光束做频域的过滤，因而本发明不仅制备简单，而且能量损耗小，从而保证了光源亮度。附图说明图1为本发明的利用非线性光学晶体制备光子对的方法流程示意图；图2为本发明的泵浦光波长为430nm时对应的信号光波长和闲置光波长的频谱图示意图；图3为本发明的泵浦光波长为440nm时对应的信号光波长和闲置光波长的频谱图示意图；图4为本发明的泵浦光波长为460nm时对应的信号光波长和闲置光波长的频谱图示意图；图5为本发明的泵浦光波长为480nm时对应的信号光波长和闲置光波长的频谱图示意图；图6为本发明的泵浦光波长为500nm时对应的信号光波长和闲置光波长的频谱图示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1所示，一种利用非线性光学晶体制备光子对的方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：将波长为λp的泵浦光以照射角θ照射在非线性光学晶体表面，得到包含信号光和闲置光的光子对光束；步骤2：将所述光子对光束经过长波通滤光片进行滤光处理；步骤3：将经过滤光处理的光子对光束经过偏振分束器进行光束分离处理，分别得到频域上纯态的闲置光和信号光；其中，所述泵浦光的波长λp与照射的角度θ之间满足以下关系：vp[λp,θ]＝vs[λs]λp为泵浦光波长，λs为信号光波长，λi为闲置光波长，ne[θ,λp]为泵浦光的折射率，no[λs]为信号光的折射率，ne[θ,λi]为闲置光的折射率，vp[λp,θ]为泵浦光的群速度，其为泵浦光波长和照射角的函数，vs[λs]为信号光的群速度，其为信号光波长的函数。这里，对于一个特定波长λp的泵浦光，需要根据上述公式确定唯一的照射角θ，并按照特定的照射角θ照射在非线性光学晶体表面，才可以制备出频域上纯态的光子对，其中信号光波长λs和闲置光波长λi也是唯一确定的。本发明中，根据不同波长λp的泵浦光可以分别计算得到照射角θ、信号光波长λs和闲置光波长λi，如下表1：λp(nm)430440450460470480490500θ(°)80.17372.58367.44963.28759.65956.33953.14749.81λs(nm)1056.41036.41015.3992.8968.7941.6910.0868.7λi(nm)725.2764.6808.2857.0913.0979.11061.71178.0如图2-6所示，分别为泵浦光波长分别为430nm、440nm、460nm、480nm和500nm时，对应的信号光波长λs和闲置光波长λi的频谱图。这5个波长只是特例，在430nm至500nm范围内所有的波长都可以产生纯态。优选地，本发明的实施例中，所述非线性光学晶体为磷酸二氘钾。在此波长范围内，通过这种晶体中制备出纯度较高的频域高度无关联的纯态光子对。本发明的实施例中，所述泵浦光波长λp的范围为450-500nm，所述照射角θ的范围为49.8-80.2度，所述信号光波长λs的范围为868-1056nm，所述闲置光波长λi的范围为725-1178nm，且所述闲置光和信号光在频域上的纯度大于0.97。优选地，本发明的实施例中，所述泵浦光波长λp为476.2nm，所述照射角θ为57.6度，所述闲置光和信号光对在频域上的纯度大于0.97。此时，信号光和闲置光波长相等，2λp＝λs＝λi，磷酸二氘钾(kd2po4)晶体能满足群速度匹配条件：vp[λp,θ]＝vs[λs]其中，vp(λp,θ)为泵浦光的群速度，其为泵浦光波长λp和照射角θ的函数，vs(λs)为信号光的群速度，其为信号光波长λs的函数，在满足群速度匹配条件之后，可以通过这种晶体中制备出纯度大于0.97的频域高度无关联的纯态光子对的同时，便于波长相等的信号光和闲置光进行后续干涉等用途。本发明实施例中，为了获得纯度更高的光子对，将波长为476.2nm的泵浦光以入射角57.6度照射在非线性光学晶体磷酸二氘钾上，得到波长为952nm的光子对(信号光和闲置光的波长相等)。这里需要说明的是，根据振幅分布，即信号光和闲置光的联合频谱分布可以计算得到纯度p。具体地，信号光和闲置光的联合频谱分布矩阵用f(ωs,ωi)表示，其中，ωs,ωi分别表示信号光和闲置光的频率。对该矩阵做施密特分解，得到其中，φj(ωs)和是频域的两组正交基矢，被称为施密特模，cj是一组非负的实数，满足归一化条件纯度p可以从下面的公式中计算得到根据上述公式可以计算出在波长为476.2nm的泵浦光以入射角57.6度照射在非线性光学晶体磷酸二氘钾上时，制备得到的光子对的纯度为0.9758。本发明的光子对的制备方法，将波长λp的泵浦光以特定的照射角θ照射在非线性光学晶体上，得到纯态较高的光子对，由于非线性光学晶体的双折射性质使得非线性光学晶体在合适的波长范围内满足特定的群速度匹配关系，因而其可制备出频域上是纯态的光子对。此外，由于本发明不需要像现有方法那样使用带通滤波片对得到的光子对光束做频域的过滤，因而本发明不仅制备简单，而且能量损耗小，从而保证了光源亮度。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12