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基于time-bin量子比特的高速率多路糾纏源——PPLN晶體應(yīng)用

來源:上海昊量光電設(shè)備有限公司   2024年08月01日 14:10  

基于time-bin量子比特的高速率多路糾纏源——ppln晶體應(yīng)用


隨著量子計算的不斷發(fā)展,對于現(xiàn)代公鑰加密的威脅也逐漸明顯起來。而量子密鑰分發(fā)(QKD)是克服這一威脅的方法之一,通過允許在多方之間安全地共享加密密鑰,以抵御潛在的qie者和量子計算器的解密能力。糾纏光子是此類應(yīng)用的基本資源,因此糾纏分發(fā)是新興量子網(wǎng)絡(luò)計劃的關(guān)鍵組成部分。來自加州理工學(xué)院的Andrew Mueller及其團隊,在《Optica》期刊上發(fā)表了一篇題為"High-rate multiplexed entanglement source based on time-bin qubits for advanced quantum networks"的研究文章,介紹了他們開發(fā)的基于time-bin量子比特(qubits)的高速率多路復(fù)用糾纏源,而這一成果為構(gòu)建前沿的量子網(wǎng)絡(luò)提供了重要的基礎(chǔ)技術(shù)。


Time-bin糾纏光子簡介


以光子的不同時間模式編碼的量子信息稱為time-bin量子比特。在這類量子比特中,光子被編碼到較早或者較晚到達的時間里,也就是說time-bin量子比特是光子到達時刻的相干疊加,描述一個光子處于兩個時間單位的概率幅。


相對于基于偏振的系統(tǒng)相比,time-bin糾纏光子源具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。在時間模式中,相對的相位是穩(wěn)定的,因此在遠距離的傳輸中不會發(fā)生嚴重的退相干。自由空間中用于傳輸?shù)钠駪B(tài)對于光纖中的雙折射和散射十分敏感,而Time-bin這種量子比特編碼形式憑借其在光纖中對抗退相干的魯棒性,適合于長距離傳輸。非等臂干涉儀是產(chǎn)生 Time-bin 量子比特的一種常用方法。

Time-bin編碼的概念,利用單光子。光路用紅線標(biāo)出。光學(xué)元件:BS -分束器,M -反射鏡,φ -長程總相位變化。取自Misiaszek-Schreyner, Marta. "Applications of single-photon technology." arxiv preprint arxiv:2205.10221 (2022). 


實驗內(nèi)容


在本文中,通過將4.09-GHz的鎖模激光器的光通過80ps的延遲干涉儀(12.5-GHz自由光譜范圍)導(dǎo)入到非線性晶體中,以實現(xiàn)高速糾纏源。低抖動差分超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPDs)可以使time-bin量子比特解析為80ps寬的bin。而波長復(fù)用被用來實現(xiàn)多個高可見度的通道配對,這些配對共同加起來形成了一個高符合率。在低平均光子數(shù)(μL=5.6×10-5±9.0×10-6)時8通道系統(tǒng)可見度可達到平均99.3%,而在較高功率時(μH=5.0×10-3±3.0×10-4),演示時總符合率為3.55MHz,平均可見度為96.6%。裝置具體分為糾纏光子源以及光譜復(fù)用以及探測部分。


糾纏光子源


下圖展現(xiàn)了該實驗裝置。來自鎖模激光器的脈沖光,中心波長為1539.47nm,通過一個80ps延遲線干涉儀。源干涉儀每個時鐘周期產(chǎn)生兩個脈沖,用于編碼early/late的基礎(chǔ)狀態(tài)(|e?, |l?),隨后由一個二次諧波生成(SHG)模塊上轉(zhuǎn)換,并通過一個type-0的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)模塊(Covesion),由下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏光子對。SPDC模塊是一個進入的25px氧化鎂摻雜鈮酸鋰(MgO:PPLN)波導(dǎo),具有18.3μm周期。上轉(zhuǎn)換的脈沖在769nm處具有243 GHz(0.48nm)的全寬半高帶寬。



鎖模激光器(Pritel UOC)的脈沖通過80ps延遲線干涉儀分成兩束,然后在二次諧波生成+摻鉺光纖放大器(SHG + EDFA)模塊中進行上轉(zhuǎn)換和放大。來自SHG模塊的短PM光纖連接到一個非線性晶體(Mgo:PPLN),通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)生成光子對。粗波分復(fù)用(CWDM)模塊將光子對的光譜分離成8個13nm寬的波段,分別圍繞1530和1550nm,對應(yīng)于信號和閑置光子。信號和閑置光子分別被引導(dǎo)到Bob和Alice站點。


光譜復(fù)用和探測


產(chǎn)生的光子對通過一個粗波分復(fù)用器(CWDM)分離,該復(fù)用器的作用是將SPDC光譜分成寬帶寬的兩半。對于在Alice和Bob使用超過16個密集波分復(fù)用器(DWDM)通道的系統(tǒng),CWDM將替換成一個分束器,該分束器有效地將1540nm以下的完整SPDC光譜發(fā)送給Bob,將1540nm以上的光譜發(fā)送給Alice。PPLN產(chǎn)生的糾纏閑置和信號光子分別被發(fā)送到標(biāo)記為Alice和Bob的接收站。每個接收站的一個讀出干涉儀將所有光譜帶投影到一個復(fù)合的時間-相位基礎(chǔ)上。在這里,DWDM將能量-時間糾纏的光子對分成光譜通道。使用100GHz間隔的密集波分復(fù)用器(DWDM)模塊將每個頻率通道引導(dǎo)到不同的光纖中。實驗中采用兩個超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPDs)進行光子到達時間的測量,并分辨通過多路復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生的多個高可見度通道對。



在實驗中使用的ITU信道。用相同顏色突出顯示的信道對遵守SPDC的相位和泵浦能量匹配條件。為了評估Alice的DWDM復(fù)用器的全部16個信道(27-42),Bob的8通道DWDM被替換為具有可調(diào)諧諧振頻率的窄帶濾器(圖中未顯示)。


PPLN的作用


高速率糾纏分布實現(xiàn)了基于高速率糾纏的QKD,以及具有前沿量子網(wǎng)絡(luò)特征的更一般的操作,而這些在許多指標(biāo)上都有令人印象深刻的表現(xiàn)。目前許多研究都強調(diào)需要利用高總量度、光譜亮度、收集效率和產(chǎn)生糾纏光子對的高可見性,而通過非線性晶體可以滿足實際高速率糾纏分布的需求。




在量子通信和光子學(xué)領(lǐng)域內(nèi),非線性光學(xué)晶體起到了至關(guān)重要的作用。在這項研究中,量子通信依賴于量子糾纏態(tài)的生成和分發(fā),而使用Covesion的PPLN晶體(周期極化鈮酸鋰晶體),通過非線性光學(xué)效應(yīng)——自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)產(chǎn)生糾纏光子對,而這些光子對是實現(xiàn)QKD和量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。Covesion的PPLN晶體憑借其高非線性系數(shù)和精確地極化周期,實現(xiàn)了高效率的光子對產(chǎn)生,這將提高量子通信系統(tǒng)的整體速率。本文中采用WGP-1550-10光纖耦合加固型封裝波導(dǎo)應(yīng)用于SPDC,在具有出色轉(zhuǎn)化效率的同時兼具易用與可靠,并可配套提供溫度控制器,保證晶體在穩(wěn)定的溫度下工作,滿足相位匹配條件以獲得穩(wěn)定的糾纏光子對產(chǎn)生。如果您對于封裝波導(dǎo)有更多其他的需求,Covesion也提供定制服務(wù),包括周期以及晶體長度等等參數(shù)。



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