[发明专利]一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法

说明书

本发明公开一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，由装置本体构成，包括脉冲激光器、滤波器、第一非线性介质、第二非线性介质和多通道滤波器；所述第一非线性与所述第二非线性介质之间设有一可重构的量子关联光子对输出的光学4F系统，所述光学4F系统包括：第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器和第二凸透镜；所述第一光栅位于第一凸透镜的前焦点，空间光调制器位于第一凸透镜的后焦点，第二凸透镜的前焦点与第一凸透镜的后焦点重叠，第二光栅位于第二凸透镜的后焦点，本发明可提高色散介质的相位延迟的精确性。

技术领域

本发明属于量子信息科学与技术领域，涉及基于非线性光学参量过程的各类量子态制备，包括量子关联光子、单光子以及孪生光束等，具体为一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法。

背景技术

非线性介质中的光学参量过程是一种制备光学量子态的有效方法。常用的光学参量过程包括χ⁽²⁾二阶非线性介质中的参量下转换过程以及χ⁽³⁾三阶非线性介质中的四波混频过程。不失一般性，下面以脉冲光泵浦的四波混频过程为例进行讨论。从量子力学角度看，四波混频过程可被视为：来源于泵浦光场中的两个光子湮灭，并同时产生一对频率分别为ω_s和ω_i的关联光子对，且该过程满足能量守恒和动量守恒。所产生的一对光子被分别称为信号光子和闲频光子，对应的光场分别被称为信号光场和闲频光场。参量过程所产生信号光子和闲频光子的频谱特性可由联合频谱函数F(ω_s,ω_i)描述。联合频谱函数F(ω_s,ω_i)正比于产生一对频率分别为ω_s和ω_i的信号光子和闲频光子的几率振幅。不同的量子信息应用往往需要具有特定联合频谱函数的量子关联光子对，例如，基于量子关联光子对的宣布式单光子源就要求量子关联光子对具有可分解的联合频谱函数，即联合频谱函数可写为F(ω_s,ω_i)＝S(ω_s)I(ω_i)的形式。如何灵活准确地控制量子关联光子对的频谱特性是光学量子态制备研究中的一个重要问题。

首先考察利用高斯型脉冲光泵浦单段均匀非线性介质的情况。通过四波混频过程所产生量子关联光子对的联合频谱函数取决于高斯泵浦包络函数和相位匹配函数的乘积：

其中，ω_p0为泵浦光的中心频率，σ_p为泵浦光的带宽，泵浦、信号和闲频光的波长与频率的关系为λ_j＝2πc/ω_j(j＝p,s,i，而c代表光速)；L为非线性介质长度，Δk＝2k_p-k_s-k_i-2γP_p为非线性介质中的波矢失配，k_p、k_s和k_i分别代表泵浦、信号光子和闲频光子的传播常数，γ代表介质的非线性系数，P_p代表泵浦光的峰值功率。

然后考虑两段相同的均匀非线性介质中间设置单段均匀色散介质的两级结构。这里色散介质的作用仅为引入色散，不产生量子关联光子对。此时量子关联光子对的联合频谱可写为

与单段情况相比多出一项干涉项其中Δφ＝2φ_p-φ_s-φ_i是色散介质引入的相位差，取决于色散介质的色散以及长度。通过改变色散介质的色散和长度，可实现对干涉项的控制，从而实现对量子关联光子对联合频谱的控制。

然而，由于色散介质引入的相位差Δφ在色散介质确定后也就随之确定，若要改变Δφ则需要改变色散介质长度或更换色散介质，这给实际应用带来不便。若能更为灵活地控制Δφ，则可提高量子关联光子对联合频谱控制的灵活性和准确性。

发明内容