一種啁啾糾纏光子對的壓縮裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于量子光學中糾纏光子對的操縱技術領域，具體涉及一種啁嗽糾纏光子 對的壓縮裝置，還涉及利用上述壓縮裝置的方法。
【背景技術】
[0002] 用連續激光栗浦啁嗽準相位匹配非線性晶體時可以產生超寬頻譜的糾纏光源，即 啁嗽糾纏光子對。這種糾纏光源可應用在高精度量子光學相干層析及大帶寬量子信息處理 中，并能獲得超窄洪 -歐-曼德爾HOM(Hong-Ou-Mandel)量子干涉結果。然而，由于晶體的色 散作用，使得啁嗽糾纏光子對的關聯時間也同時被拓寬，因而不利于其在量子度量衡、量子 平板印刷等領域的應用。為了在不影響啁嗽糾纏光子超寬頻譜的同時提高其時間關聯性， 就必須壓縮關聯時間。傳統方法采用色散介質(如，光纖)的相位補償方案來壓縮關聯時間。 但缺陷是:壓縮的關聯時間依賴于色散介質的長度，只有在特殊位置才能被完美壓縮;色散 介質中的高階項也會降低壓縮效果；糾纏光子信號經色散介質時會出現損耗。本發明方法 基于脈沖整形技術，利用菲涅爾二元相位通過整形啁嗽糾纏光子光譜來實現關聯時間的壓 縮，從而克服了相位補償方法的缺陷。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種啁嗽糾纏光子對的壓縮裝置，解決了現有相位補償方案 中糾纏光源經色散介質會出現損耗，壓縮結果受色散介質長度及色散高階項制約的問題。
[0004] 本發明的目的還在于提供利用上述壓縮裝置的壓縮方法。
[0005] 本發明所采用的第一種技術方案是，一種啁嗽糾纏光子對的壓縮裝置，包括連續 激光器，連續激光器一側的光路上依次設置有第一凸透鏡、第一非線性晶體、第二凸透鏡、 第一濾光器、第一準直器、液晶空間光調制器、第二準直器、第三凸透鏡、第二非線性晶體、 第四凸透鏡、第二濾光器、第五凸透鏡、單光子探測器、光子計數器。
[0006] 本發明的第一種技術方案的特點還在于：
[0007] 第一非線性晶體采用具有啁嗽準相位匹配結構的非線性晶體。
[0008] 第二非線性晶體采用周期電極鈮酸鋰波導或周期電極磷酸氧鈦鉀晶體。
[0009] 本發明所采用的第二種技術方案是，
[0010] -種啁嗽糾纏光子對的壓縮裝置的壓縮方法，具體步驟為：
[0011] 連續激光器經第一凸透鏡聚焦后栗浦第一非線性晶體，經自發參量下轉換過程產 生超寬帶的啁嗽糾纏光子對，其中一個為信號光，另一個為閑散光，產生的啁嗽糾纏光子對 光束經第二凸透鏡發散后進入第一濾光器濾掉多余的高頻栗浦光，之后經第一準直器使啁 嗽糾纏光子對光束平行入射進入液晶空間光調制器，根據菲涅爾二元相位整形的方法，利 用液晶空間光調制器對產生的糾纏光譜中不同頻率波帶進行二元相位整形，使得展開的糾 纏光束頻譜范圍包含在液晶空間光調制器中整形的區間范圍內，整形后的糾纏光束經過第 二準直器使其平行入射進入第三凸透鏡聚焦糾纏光束，讓聚焦的糾纏光束入射到第二非線 性晶體中，通過和頻產生過程作為符合計數來探測最終結果，之后輸出光束經第四凸透鏡 發散后進入第二濾光器濾掉多余的低頻光波，之后再經過第五凸透鏡聚焦信號，將聚焦信 號輸入單光子探測器中進行信號探測，探測到的信號再經過光子計數器得到最終的結果， 這一結果即表示由二階關聯函數表征的糾纏光子對間的關聯時間的壓縮結果。
[0012] 本發明的第二種技術方案的特點還在于：
[0013] 啁嗽糾纏光子對相位匹配為II型、頻率簡并且共線，即信號光和閑散光的偏振方 向互相垂直、中心頻率相同，且栗浦光和信號光、閑散光傳輸方向相同。
[0014] 壓縮效果是利用菲涅爾二元相位整形的方法通過在頻域制備菲涅爾波帶透鏡來 實現，具體為：
[0015] 根據菲涅爾半波帶法，將糾纏光譜分成許多菲涅爾頻率波帶，使得相鄰兩波帶間 的相位差為I波帶邊界〇"的位置可以用下式計算：
[0016]
[0017]其中，0 = D2/8a，a為啁嗽參數，D=l/us-l/ui為信號光和閑散光的逆群速度之差；
[0018] 所分割的頻率波帶邊界〇"由二次相位包絡和π的整數倍相位值間的交叉點決定， 將啁嗽糾纏光譜分成很多的菲涅爾頻率波帶區間，{- Ω 〇，Ω 〇}，……{- Ω n+1，- Ω η}及{ Ω η， Ωη+ι};設在步頁率區間{-Ω。，Ω。}產生的雙光子時間振幅為
， 類似有
，則總的二階關聯函 數G2(t)表示為:G2(t)〇c | Xkik(T) |2,其中，k為整數；
[0019] 利用液晶空間光調制器按照上述分成的菲涅爾頻率波帶區間對雙光子譜進行相 位整形，獲得所有波帶對應的二階關聯函數在中心頻率處的相長干涉結果和非中心頻率處 的相消干涉結果，從而壓縮關聯時間，壓縮后的二階關聯函數為：
[0020] G2(t)cx | Xkfc2k-Xkfc(2k+1)|2，k = 0，l，2···。
[0021] 二元相位為(0, π)。
[0022] 本發明的有益效果是:本發明提供了一種啁嗽糾纏光子對的壓縮裝置及上述壓縮 裝置的壓縮方法，其壓縮效果和傳統相位補償方案相同。但卻克服了傳統相位補償方案中 壓縮結果受限于色散介質長度及色散高階項、糾纏光子信號經色散介質時會出現損耗等缺 陷。此外，該發明中壓縮糾纏光子對的部分只需采用單個二元相位整形器件即可完成，操作 簡單，易實驗實現。同時該發明拓展了脈沖整形技術在量子糾纏光源操縱中的應用。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明一種啁嗽糾纏光子對的壓縮裝置的結構示意圖；
[0024] 圖2(a)是本發明中頻率二次相位包絡分布圖；圖2(b)是圖2(a)對應的菲涅爾二元 相位整形示意圖；
[0025]圖3是啁嗽糾纏光子對關聯時間壓縮效果圖。
[0026]圖中，1.連續激光器，2.第一凸透鏡，3.第一非線性晶體，4.第一濾光器，5.第一準 直器，6.液晶空間光調制器，7.第二非線性晶體，8.單光子探測器，9.光子計數器，10.第二 凸透鏡，11.第二準直器，12.第三凸透鏡，13.第四凸透鏡，14.第二濾光器，15.第五凸透鏡。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0028] 本發明一種啁嗽糾纏光子對的壓縮裝置，結構如圖1所示，包括連續激光器1，連續 激光器1 一側的光路上依次設置有第一凸透鏡2、第一非線性晶體3、第二凸透鏡10、第一濾 光器4、第一準直器5、液晶空間光調制器LC_SLM(liquid crystal-spatial light modulator)6、第二準直器11、第三凸透鏡12、第二非線性晶體7、第四凸透鏡13、第二濾光器 14、第五凸透鏡15、單光子探測器8、光子計數器9。
[0029] 其中，第一非線性晶體3采用啁嗽準相位匹配非線性晶體，如周期電極磷酸氧鈦鉀 晶體（C_PPKTP，chirped periodically poled potassium titanyl phosphate)或啁嗽周 期電極化學計量組酸鋰晶體（C_PPSLT，chirped periodically poled stoichiometric lithium tantalate)等具有啁嗽準相位匹配結構的非線性晶體。
[0030] 第二非線性晶體7采用周期電極銀酸鋰（PPLN，periodically poled lithium niobate)波導或周期電極磷酸氧欽鉀晶體（PPKTP，periodically poled potassium titanyl phosphate)。
[0031] 本發明一種啁嗽糾纏光子對的壓縮裝置的壓縮方法，具體步驟為：
[0032] 采用如圖1所述的裝置，連續激光器1經第一凸透鏡2聚焦后栗浦第一非線性晶體3 (啁嗽周期電極磷酸氧鈦鉀晶體），經自發參量下轉換（SPDC，spontaneous parametric down-conversion)過程產生超寬帶的啁嗽糾纏光子對，其中一個為信號光，另一個為閑散 光。本發明涉及的啁嗽糾纏光子對相位匹配為II型、頻率簡并且共線，即信號光和閑散光的 偏振方向互相垂直、中心頻率相同，且栗浦光和信號光、閑散光傳輸方向相同。產生的啁嗽 糾纏光子對光束經第二凸透鏡10發散后進入第一濾光器4濾掉多余的高頻栗浦光，之后經 第一準直器5使啁嗽糾纏光子對光束平行入射進入液晶空間光調制器(LC-SLM)6,根據如圖 2(b)中菲涅爾二元相位整形的方法，利用LC-SLM6對產生的糾纏光譜中不同頻率波帶(頻率 分量)進行二元相位(〇W)整形，使得展開的糾纏光束頻譜范圍包含在液晶空間光調制器6 中整形的區間范圍內，整形后的糾纏光束經過第二準直器11使其平行入射進入第三凸透鏡 12聚焦糾纏光束，讓聚焦的糾纏光束入射到第二非線性晶體(周期電極鈮酸鋰波導)7中，通 過和頻產生過程(SFG，sum-frequency generation)作為符合計數來探測最終結果，之后輸 出光束經第四凸透鏡13發散后進入第二濾光器14濾掉多余的低頻光波，之后再經過第五凸 透鏡15聚焦信號，將聚焦信號輸入單光子探測器8中進行信號探測，探測到的信號再經過光 子計數器9得到最終的結果，這一結果即表示由二階關聯函數表征的糾纏光子對間關聯時 間的