我们描述了一种基于多个量子干扰效应的无条件极化纠缠光子的光学系统,通过检测方案来估计生成的纠缠光子的实验保真度。
我们提出了一个高性能的无条件偏振纠缠光子源,这些光子具有高发射率,宽带分布,是退化的,并且没有选择后。该源的特性基于 Sagnac 干涉仪的往返配置的倍量量子干扰效应。量子干扰效应使得利用偏振纠缠光子的高生成效率来处理参数向下转换,并在没有后选择的情况下将退化光子对分离成不同的光学模式要求。描述并实验地描述了光学系统的原理,用于测量保真度和贝尔参数,并结合至少六个极化相关数据组合来描述生成的极化纠缠光子。实验获得的保真度和贝尔参数超过了经典的局部相关极限,是产生无条件偏振纠缠光子的明确证据。
光子的纠缠状态在量子理论中的局部现实主义研究以及量子密码学1、量子致密编码2、量子中继器3和量子的新应用引起了相当大的兴趣。传送4.自发参数向下转换 (SPDC) 是引入的二阶非线性过程,用于在极化状态下直接产生纠缠光子对。由于准相匹配技术的最新发展,定期的KTiOPO 4(ppKTP)和LiNbO3(ppLN)已成为标准技术5。通过将这些非线性晶体与Sagnac干涉仪6、7、8相结合,开发出几种纠缠源。特别是,II型SPDC获得的正极化光子对方案能够生成无条件的极化纠缠光子,并将退化偏振纠缠光子对分离成不同的光学光子对模式没有后选择性检测7。
相比之下,0型SPDC具有设置简单、光子对9的高发射比的优点。此外,0型SPDC中生成的光子对比II型SPDC的光子带宽要宽得多。由于带宽大,单位泵功率的总光子对产量高出两个数量级。相关光子对的大带宽允许检测到的光子对之间的短暂巧合时间。该特性已导致几个潜在的应用,如量子光学相干断层扫描10,通过非线性相互作用与纠缠光子11的通量实现超短时间相关性,计量方法采用量子干扰非常窄的凹陷12、量子时钟同步13、时间频率纠缠测量14、多模频纠缠15。然而,采用普通0型SPDC的方案需要条件检测方案6或波长滤波8或空间模式滤波来分离生成的极化纠缠光子16。
我们实现了一种基于多个量子干扰过程17同时满足0型和II型SPDC特性的方案。描述了光学系统的细节,并实验地用最少的实验数据测量生成的偏振纠缠光子的特性。
水平 (H) 和垂直 (V) 极化状态的 Jones 矢量可以写成 和 。所有可能的纯极化状态都是由这两种极化状态的相干叠加构成的。例如,对角线(D)、反对角线(A)、右圆(R)和左圆形(L)光分别由:
,
, (1)
和
,
H 和 V 称为直线偏振基。D 和 A 称为对角极化基。R 和 L 称为圆形极化基。这些纯和混合的极化状态可以由基于H-和V极化基18的密度矩阵表示。
方案的操作原理如图1a-e所示。激光被注入一个偏振Sagnac干涉仪,由偏振波束分离器(PBS)组成,两个半波板设置为45o (HWP1) 和 22.5o (HWP2),一个ppKTP晶体和镜子。此设置的偏振光学器件适用于泵激光场的波长和向下转换的光子。
泵激光的 H 组分通过 PBS,如图1a所示,沿顺时针 (CW) 方向往返设置。泵激光的极化通过HWP2反转至对角(D)状态。在这里,泵激光器的V组分用于向下转换,生成的光子采用0型SPDC进行V极化。生成的光子对的SPDC极化状态可以表示为:
. (2)
下转换的光子对通过 HWP1 设置为 45o H 极化,如图1b所示,极化状态变为:
.(3)
泵激光束再次将倒置光子对注入ppKTP。第二次SPDC生成的光子对均为V极化,并叠加在第一次SPDC为共线性光模式生成的光子对上,如图1c所示。第二次SPDC之后的光子对的极化状态表示为:
(4)
其中是第一个和第二次SPDC的光子对之间的相对相位。相位不会随时间而变化,因为它由 HWP1 在泵激光和向下转换的光子之间的材料分散决定,并且可以通过倾斜 HWP1 进行调节。下转换光子的H(V)极化状态倒转至A(D)状态,如(1)所示。HWP2 输出光子对的极化状态表示为:
(5)
当通过倾斜HWP1 设置相位时,只有状态 (5) 的第一个术语保持不变,如图1d所示。这是量子干扰过程,对应于极化基19的反向洪-欧曼德尔(HOM)干扰过程。当H光子通过PBS,V光子被PBS反射时,来自PBS的输出光子对的极化状态表示为光学模式1和2,如图1e所示。
相反,泵激光的V组分被PBS反射,如图1f所示,并沿逆时针(CCW)方向圆形跳闸。通过类似的多类型-0 SPDC进程和单一变换,来自PBS的输出的极化状态变为。 当泵激光的极化状态以对角(D)状态准备时,泵激光的H和V组分之间的相对相位为零。因此,来自 CW 和 CCW 方向的生成光子的输出状态以相同的振幅叠加,并代表如下:
. (6)
输出状态是一种极化纠缠状态,称为贝尔状态之一,可以使用极化光学元件7转换为其他三种状态。使用 (1) 中所示的关系,输出状态可以用对角极化基表示为:
并通过圆形极化基础为: 。
协议中的关键步骤是如何最大化生成的极化纠缠光子的保真度。估计保真度和贝尔参数目前是有限的,主要是因为我们使用多模光纤来收集生成的纠缠光子。HWP1的倾斜影响了第一和第二SPDC光子之间空间模式的高度差异,导致Sagnac干涉仪输出出现空间模式不匹配。当使用单模光纤过滤掉生成的第一和第二个SPDC光子的空间模式重叠区域时,保真度预计更高。此外,ppKTP晶体的双光效应影响了第一和第二SPDC光子之间的模式不匹配。将来,我们可以通过使用额外的补偿晶体来改进参数。
该协议的意义是在现有方法方面同时实现多个属性。与协议相纠缠的光子的来源具有高发射率、退化、宽带分布和后选择自由。该协议的特性优势是基于使用双通极化分量干扰仪的多重量子干扰。光子系统使得利用偏振纠缠光子的大生成效率,将退化光子对分离成不同的光学模式,无需后选择。高性能偏振纠缠光子系统可应用于新型光子量子信息技术1、2、3、4。
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了日本光电科学技术研究基金会的支持。我们感谢托莫·奥萨达博士的有益讨论。
300mm fous lens | Thorlabs. INC. | AC254-300-B | |
405nm LD | Digi-Key Electronics | NV4V31SF-A-ND | |
Delay line | Ortec INC. | DB463 | |
Dichroic mirror (DM) | Midwest Optical Systems INC. | SP650-25.4 | |
Half-wave plate (HWP) for 405nm | Thorlabs. INC. | WPH05M-405 | |
Half-wave plate (HWP) for dual wavelengths | Meadowlark Co. | DHHM-100-0405/0810 | |
Interference filter (IF) | IDEX Health & Science, LLC | LL01-808-12.5 | |
Multi-channel analyzer (MCA) | Ortec INC. | EASY-MCA-2K | MAESTRO-32 software |
Polarization-maintaining fiber | Thorlabs. INC. | P1-405BPM-FC-1 | |
Polarizer (POL) | Meadowlark Co. | G335743000 | |
ppKTP crystal | RAICOL CRYSTAL LTD. | Type-0, 3.425 microns period | |
Quarter-wave plate (QWP) for 808nm | Thorlabs. INC. | WPQ05M-808 | |
Quarter-wave plate (QWP) for 405nm | Thorlabs. INC. | WPQ05M-405 | |
Retroreflector | Newport Co. | U-BER 1-1S | |
Single photon counting Module (SPCM) | Laser Cpmponents LTD. | Count -100C-FC | FC connecting |
Time-to-amplitude converter (TAC) | Ortec INC. | 567 |