[发明专利]一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统

说明书

技术领域

本发明涉及量子信息技术以及非线性光学领域，更具体地，涉及一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统。

背景技术

单光子源是指在某一时刻仅仅发射一个光子的光源，是研究量子物理和量子信息技术的一个重要工具。单光子源在量子信息领域中扮演着一个重要的角色，尤其在量子通信和量子计算研究领域都需要稳定的、高速的单光子源，因而单光子源是当前的研究热点。量子通信实验中人们普遍利用相位随机化的精密控制强光衰减弱相干光用作准单光子源(例如监控输出功率，控制每个脉冲的平均光子数为0.1)，相位随机化的弱相干光的光子数分布服从泊松分布式中λ为平均光子数，k为光子数，P(x＝k)为光子数为k时的概率，e为自然常数，对于平均光子数为0.1的弱相干光，空脉冲的概率为0.9，单光子概率为0.09，两个及两个以上光子概率为0.01，由此可以看出弱相干光存在大量空脉冲与少量的多光子脉冲，因此实际应用中也会带来低效率与安全性差的问题。

对于近理想的单光子源，现有技术中通常利用量子点、单个原子来产生单光子。量子点光源很接近理想的单光子源，已经在量子通信中有所应用，但是这中方法需要复杂的结构、极低的温度(小于10K)。且收集效率不高，很难高效地与单模光纤耦合。利用囚禁的单个原子或分子可以制成接近理想的单光子源，但是单个原子或者分子的俘获是一个复杂的技术，因此限制了他的应用。另一种方法是采用二阶非线性效应的孪生光子对，探测一个闲频光子宣布另一个信号光子的存在，但是孪生光子对的产生本身就是概率性的，并且宣布效率较低(小于0.5)，此外此种宣布式单光子源也较难高效的与单模光纤耦合。

发明内容

本发明提供一种可以提高单光子的产生率和利用率的基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于微环腔结构的宣布式多波长单光子源产生系统，包括顺次连接的泵浦单元，纠缠光子对产生单元、波分复用单元和宣布单元；所述泵浦单元包括激光器和马赫-曾德尔干涉仪；所述纠缠光子对产生单元包括微环腔和光纤耦合器；所述波分复用单元包括波长选择装置；所述宣布单元包括单光子探测装置和发射装置；

所述激光器产生脉冲激光，通过马赫-曾德尔干涉仪转化为具有稳定时间间隔的时间纠缠脉冲对：式中|Ψ>表示态矢量，S和L分别代表经过短臂和经过长臂的光脉冲；

时间纠缠的脉冲对通过光纤耦合器耦合进微环腔，在微环腔内产生三阶非线性效应，从而产生时间纠缠的光子对：式中|Ψ_time-bin>表示时间纠缠的态矢量，|S_s,S_i>和|L_s,L_i>分别表示经过短路径和长路径后，在非线性过程作用下产生的信号光和闲频光，S和L分表代表短路径和长路径，下标s和i分别代表信号光子和闲频光子；

时间纠缠光子对经过波分复用单元解复用成为关于泵浦波长对称的时间纠缠的单光子，通过单光子探测器探测响应后宣布纠缠光子的存在。

优选地，波长选择装置是阵列波导光栅或者波长选择开关。

优选地，所述激光器输出激光波长是通信波段1260nm～1675nm的脉冲激光器。

优选地，所述微环腔是在化学气相沉积法产生的高折射率二氧化硅玻璃中，使用紫外光刻和离子蚀刻制造微米量级的微环谐振腔，其品质因数大于180000。

进一步地，所述微环腔将自动地对输入的脉冲波长进行滤波，选择匹配的波长耦合进腔内，由于三阶非线性效应，时间纠缠的脉冲光在微环腔内转化为时间纠缠的、波长关于泵浦波长对称的纠缠光子对，纠缠光子对的其中一个光子称作闲频光子，另一个称作信号光子。

进一步地，所述马赫-曾德尔干涉仪包含相互连接的第一、第二光纤耦合器，其中一个用作分束器，另一个用作耦合器。

进一步地，所述马赫-曾德尔干涉仪产生的稳定时间间隔大于脉冲光束的时间宽度。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用的微环腔产生波长不同的多对纠缠光子对，多个单光子探测器宣布多波长光子，可以提高单光子的产生率和利用率；泵浦源采用通信波段1550nm波长附近，提供宣布式多波长单光子源有利于在量子通信和量子信息处理中的应用；微环腔利用现有的CMOS工艺技术，可以大规模生产高质量微环腔；采用M-Z干涉仪，波分复用器件，器件简易，并不需要苛刻的工作条件，有更好的实用性。