本發(fā)明屬于光量子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的制備，以及以量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)為基礎(chǔ)的糾纏光子和單光子的制備。

背景技術(shù)：

量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)(簡(jiǎn)稱關(guān)聯(lián)光子對(duì))是指在時(shí)間——能量自由度上具有量子關(guān)聯(lián)特性的一對(duì)光子，是量子信息技術(shù)中的關(guān)鍵資源之一。基于關(guān)聯(lián)光子對(duì)，不僅可以通過(guò)特定的相位匹配或后選擇等技術(shù)，制備時(shí)間、頻率、偏振等不同維度的糾纏光子，還可以利用光子對(duì)中一個(gè)光子的探測(cè)信號(hào)來(lái)宣布另一個(gè)光子的存在，制備宣布式單光子，從而滿足量子信息技術(shù)的需求。

非線性介質(zhì)中的自發(fā)參量過(guò)程是制備關(guān)聯(lián)光子對(duì)的有效途徑，已得到了廣泛應(yīng)用。常用的自發(fā)光學(xué)參量過(guò)程包括χ⁽²⁾二階非線性介質(zhì)中的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程以及χ⁽³⁾三階非線性介質(zhì)中的自發(fā)四波混頻過(guò)程。在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換或自發(fā)四波混頻過(guò)程中，來(lái)源于強(qiáng)泵浦光的一個(gè)或兩個(gè)光子湮滅，同時(shí)產(chǎn)生一對(duì)量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)(也稱為孿生光子對(duì))。所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)通常分別稱之為信號(hào)光子和閑頻光子，在經(jīng)過(guò)濾波和收集裝置后，兩者被分別輸出。

非線性介質(zhì)中的自發(fā)參量過(guò)程可使用連續(xù)激光或脈沖激光對(duì)非線性介質(zhì)進(jìn)行泵浦。與連續(xù)光相比，脈沖光具有峰值功率高、重復(fù)頻率恒定等特點(diǎn)。對(duì)于脈沖光泵浦參量過(guò)程的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)源，關(guān)聯(lián)光子對(duì)的產(chǎn)生時(shí)間被精確限定在泵浦脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，有助于不同關(guān)聯(lián)光子對(duì)源間的時(shí)間同步，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光源間的量子干涉。被泵浦的非線性介質(zhì)可以是塊狀介質(zhì)(如塊狀非線性晶體)或波導(dǎo)介質(zhì)(如光纖、具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的非線性晶體等)。對(duì)于塊狀介質(zhì)，其產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)通常不具有單一的空間模式，因而造成光子對(duì)的濾波和收集過(guò)程較為復(fù)雜；對(duì)于波導(dǎo)介質(zhì)，可通過(guò)利用單模波導(dǎo)使產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)具有單一的空間模式，從而為光子對(duì)的濾波和收集提供方便。

以下的背景技術(shù)說(shuō)明以由高斯脈沖泵浦的單模光波導(dǎo)中的自發(fā)四波混頻過(guò)程為例。該過(guò)程所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)可使用如下的聯(lián)合頻譜函數(shù)描述：

聯(lián)合頻譜函數(shù)f(ωs,ωi)正比于產(chǎn)生一對(duì)頻率分別為ωs和ωi的信號(hào)和閑頻光子對(duì)的幾率振幅，可表示為泵浦脈沖包絡(luò)函數(shù)(乘號(hào)前部分)和相位匹配函數(shù)(乘號(hào)后部分)的乘積。泵浦脈沖包絡(luò)函數(shù)中的ωp為泵浦光的中心頻率，σp為泵浦光的帶寬，信號(hào)、閑頻光子和泵浦光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系為λj＝2πc/ωj(c代表光速)。相位匹配函數(shù)中的l為非線性介質(zhì)長(zhǎng)度，δk＝ks+ki-2kp+2γpp為相位失配，kp、ks和ki分別代表泵浦、信號(hào)和閑頻光子的傳播常數(shù)，由非線性介質(zhì)的色散決定，γ代表介質(zhì)的非線性系數(shù)，pp代表泵浦光的峰值功率。經(jīng)過(guò)收集和濾波過(guò)程后，若使用fs(ωs)表示信號(hào)光子通道的濾波器透射譜，fi(ωi)表示閑頻光子通道的濾波器透射譜，則關(guān)聯(lián)光子對(duì)的頻譜可以表示為fs(ωs)fi(ωi)f(ωs,ωi)。

關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式特性以及收集效率是決定光子對(duì)特性和質(zhì)量的兩個(gè)重要因素，以下分別進(jìn)行說(shuō)明：

關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式可以分解為一組相互正交的施密特模式的疊加：(∑jml＝1)，施密特模式|s>l|i>l對(duì)應(yīng)的分解系數(shù)代表了該模式所占比例，模式分解結(jié)果即反映了關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式特性。若定義光場(chǎng)的時(shí)間模式數(shù)k＝∑jml²，當(dāng)光場(chǎng)趨近于單模時(shí)，k趨近于1；當(dāng)光場(chǎng)模式增加時(shí)，k趨近于無(wú)窮。在量子信息應(yīng)用中涉及光子間相互作用的場(chǎng)合(如獨(dú)立光子源間的量子干涉等)，為了達(dá)到較高的光子不可區(qū)分性，通常要求關(guān)聯(lián)光子對(duì)模式數(shù)越少越好，也就是具有較高的模式純度。

在實(shí)驗(yàn)中，關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式特性可使用信號(hào)或閑頻光場(chǎng)的二階相關(guān)函數(shù)g⁽²⁾來(lái)表征，其與光場(chǎng)的模式數(shù)的關(guān)系為：k＝(g⁽²⁾-1)^-1。g⁽²⁾取決于關(guān)聯(lián)光子對(duì)的頻譜，以信號(hào)光場(chǎng)為例，有：

根據(jù)schwartz不等式，從上式可以得出g⁽²⁾≤2。g⁽²⁾越接近于2，表明光場(chǎng)越接近于單模，模式純度越高

關(guān)聯(lián)光子對(duì)的收集效率是指，對(duì)于非線性介質(zhì)中產(chǎn)生的每一對(duì)信號(hào)和閑頻光子，經(jīng)過(guò)濾波等裝置后，兩者均被收集并輸出的概率。若一對(duì)光子中一個(gè)甚至兩個(gè)在濾波和收集過(guò)程中被散失，則會(huì)造成輸出關(guān)聯(lián)光子對(duì)的符合計(jì)數(shù)率(即信號(hào)光子側(cè)和閑頻光子側(cè)的探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到光子的計(jì)數(shù)率)的下降，影響關(guān)聯(lián)光子對(duì)的亮度和純度。在量子信息應(yīng)用中，通常希望關(guān)聯(lián)光子的收集效率越高越好。關(guān)聯(lián)光子對(duì)的收集效率可由信號(hào)或閑頻光子的條件收集效率來(lái)表征。信號(hào)(閑頻)光子的條件收集效率ηs(i)與關(guān)聯(lián)光子對(duì)頻譜的關(guān)系為：

ηs(i)表示當(dāng)一個(gè)閑頻(信號(hào))光子被成功收集后，其所對(duì)應(yīng)的孿生光子被收集的概率。ηs(i)越接近100％，表明關(guān)聯(lián)光子對(duì)的收集效率越高。

可以看出，關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式特性以及收集效率主要取決于關(guān)聯(lián)光子對(duì)的頻譜特性以及相應(yīng)的濾波和收集過(guò)程。對(duì)于普通的塊狀或波導(dǎo)非線性介質(zhì)(如普通非線性晶體或常規(guī)光纖等)，由于色散條件所限，所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)頻譜通常具有帶寬較寬、頻譜關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的特點(diǎn)。在這種情況下，為了減少關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式數(shù)、提高模式純度，需要對(duì)其進(jìn)行窄帶濾波。而窄帶濾波會(huì)造成光子收集損失，使關(guān)聯(lián)光子對(duì)收集效率降低。若使用色散可控的非線性介質(zhì)(例如周期極化的非線性晶體、光子晶體光纖等)并對(duì)其色散進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，可以直接制備帶寬較窄、頻譜關(guān)聯(lián)性較弱的關(guān)聯(lián)光子對(duì)，從而在提高關(guān)聯(lián)光子對(duì)模式純度的同時(shí)，保持較高的關(guān)聯(lián)光子對(duì)收集效率。然而，與普通介質(zhì)相比，色散可控的非線性介質(zhì)不僅制備工序更為復(fù)雜，而且需要精確控制介質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出基于由一段非線性介質(zhì)、一段色散介質(zhì)和一段非線性介質(zhì)依次構(gòu)成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)脈沖激光泵浦的級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程，提高所產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)模式純度和收集效率的方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種提高量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)模式純度和收集效率的方法，包括以下步驟：

采用由一段非線性介質(zhì)、一段色散介質(zhì)和一段非線性介質(zhì)依次構(gòu)成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)；

利用脈沖激光對(duì)所述級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行泵浦，通過(guò)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)；所述量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)強(qiáng)度在不同波長(zhǎng)處發(fā)生周期性的干涉相長(zhǎng)和相消；干涉相長(zhǎng)和相消對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)可通過(guò)改變色散介質(zhì)的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)諧；

使用濾波和收集裝置，將干涉相長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)進(jìn)行收集和輸出。

級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的兩段非線性介質(zhì)是滿足自發(fā)參量過(guò)程相位匹配條件的塊狀非線性介質(zhì)或波導(dǎo)非線性介質(zhì)，且兩段非線性介質(zhì)具有相同或相近的色散特性，以保證兩者產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)波長(zhǎng)區(qū)域具有重疊。

所述色散介質(zhì)是具有色散和透明度的固體介質(zhì)、液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

(1)本發(fā)明基于由一段非線性介質(zhì)、一段色散介質(zhì)和一段非線性介質(zhì)依次構(gòu)成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)。與單獨(dú)采用一段普通塊狀或波導(dǎo)非線性介質(zhì)的關(guān)聯(lián)光子產(chǎn)生方法相比，本發(fā)明可提高關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式純度和收集效率。

(2)本發(fā)明使用的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，非線性介質(zhì)為普通塊狀或波導(dǎo)介質(zhì)，與色散可控介質(zhì)(如周期極化非線性晶體或光子晶體光纖等)相比，具有制備工序相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)色散參數(shù)起伏不敏感的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1a和圖1b分別是非級(jí)聯(lián)與級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)的裝置對(duì)比示意圖。

圖2a和圖2b分別是非級(jí)聯(lián)與級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程所產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)的聯(lián)合頻譜函數(shù)(|f(ωs,ωi)|²)等高線圖。

圖3是基于級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程的宣布式單光子源的示意圖。

圖4是基于級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程的偏振糾纏光子對(duì)源的結(jié)構(gòu)圖。

圖5是基于塊狀晶體中級(jí)聯(lián)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的關(guān)聯(lián)光子對(duì)源的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明采用由一段非線性介質(zhì)、一段色散介質(zhì)和一段非線性介質(zhì)依次構(gòu)成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用脈沖激光對(duì)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行泵浦，通過(guò)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)；對(duì)于級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程所產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)，其強(qiáng)度在不同波長(zhǎng)處發(fā)生周期性的干涉相長(zhǎng)和相消；使用具有適當(dāng)透射譜的濾波和收集裝置，將干涉相長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)進(jìn)行收集和輸出；通過(guò)上述過(guò)程獲得的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)，與基于一段非線性介質(zhì)的非級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程所獲得的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)相比，在保持非線性介質(zhì)總長(zhǎng)度、脈沖激光參數(shù)、濾波和收集裝置參數(shù)相同的情況下，其模式純度和收集效率得到提高。

級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的兩段非線性介質(zhì)是滿足自發(fā)參量過(guò)程相位匹配條件的塊狀或波導(dǎo)非線性介質(zhì)，且兩者具有相同或相近的色散特性，以保證兩者產(chǎn)生的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)波長(zhǎng)區(qū)域具有重疊。級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的色散介質(zhì)是具有一定色散和透明度的固體介質(zhì)、液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)。量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的強(qiáng)度發(fā)生干涉相長(zhǎng)和相消的具體波長(zhǎng)由級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的色散介質(zhì)的長(zhǎng)度和色散值決定，可根據(jù)所需要的量子關(guān)聯(lián)光子波長(zhǎng)，選取具有適當(dāng)參數(shù)的色散介質(zhì)以及濾波和收集裝置。

同樣以背景技術(shù)部分所提到的高斯脈沖泵浦的單模光波導(dǎo)中的自發(fā)四波混頻過(guò)程為例，若假設(shè)第一段非線性介質(zhì)的相位失配為δk1、長(zhǎng)度為l1，第二段非線性介質(zhì)的相位失配為δk2、長(zhǎng)度為l2,色散介質(zhì)的相位失配為δkd、長(zhǎng)度為ld,則級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出的關(guān)聯(lián)光子對(duì)頻譜可以表示為：

上式中其它參數(shù)所代表的意義與非級(jí)聯(lián)參量過(guò)程對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)光子對(duì)頻譜公式(1)相同。

將公式(4)與公式(1)比較可以看出，由于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的色散介質(zhì)引入了相位項(xiàng)iδkdld，第二段非線性介質(zhì)中發(fā)生相位敏感的自發(fā)四波混頻過(guò)程，使級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)所輸出的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的強(qiáng)度在不同波長(zhǎng)處發(fā)生周期性的干涉相長(zhǎng)或相消。干涉相長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的關(guān)聯(lián)光子對(duì)頻譜帶寬會(huì)變窄。若使用具有適當(dāng)透射譜的濾波和收集裝置將干涉相長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)進(jìn)行收集和輸出，與不加入色散介質(zhì)且保持非線性介質(zhì)總長(zhǎng)度、脈沖激光參數(shù)、濾波和收集裝置參數(shù)相同的情況相比，所輸出的量子關(guān)聯(lián)光子對(duì)的模式純度和收集效率將會(huì)得到提高。

級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程中干涉相長(zhǎng)或相消的具體波長(zhǎng)由色散介質(zhì)所引入的相位iδkdld決定，亦即由其長(zhǎng)度和色散值決定。因此在使用本方法時(shí)，可根據(jù)所需量子關(guān)聯(lián)光子的波長(zhǎng)選取具有適當(dāng)參數(shù)的色散介質(zhì)以及濾波和收集裝置。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

實(shí)施例1:非級(jí)聯(lián)與級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程所產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)的特性比較

本實(shí)施例對(duì)色散位移光纖中的非級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程與級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程進(jìn)行比較。通過(guò)對(duì)兩種情況所產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式和收集效率進(jìn)行模擬計(jì)算，展示級(jí)聯(lián)自發(fā)參量過(guò)程對(duì)關(guān)聯(lián)光子對(duì)的時(shí)間模式和收集效率的提高作用。圖1a和圖1b所示為非級(jí)聯(lián)與級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)的裝置對(duì)比示意圖。

在非級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻情況中，如圖1a所示，使用的非線性介質(zhì)為600m長(zhǎng)的色散位移光纖，利用脈沖光對(duì)其進(jìn)行泵浦，通過(guò)自發(fā)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)。在該過(guò)程中，來(lái)源于泵浦光的兩個(gè)泵浦光子湮滅，同時(shí)產(chǎn)生一對(duì)具有量子關(guān)聯(lián)特性的信號(hào)和閑頻光子。利用光纖濾波器將信號(hào)光子、閑頻光子與剩余泵浦光分離并輸出。模擬計(jì)算中假設(shè)裝置的主要參數(shù)為：色散位移光纖群速度零色散點(diǎn)1549nm、群速度色散斜率0.075ps/km/(nm)²；泵浦光為標(biāo)準(zhǔn)高斯頻譜，中心波長(zhǎng)1550nm、半最大全寬1.5nm；γpp取1km^‐1；信號(hào)光子濾波通道為中心波長(zhǎng)1555nm，帶寬2.5nm的矩形帶通濾波器，閑頻光子濾波通道為中心波長(zhǎng)1545nm，帶寬2.5nm的矩形帶通濾波器。通過(guò)將泵浦光、非線性介質(zhì)參數(shù)代入至本說(shuō)明書的公式(1)中，可以得到非級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)聯(lián)合頻譜函數(shù)f(ωs,ωi)。圖2a所示為相應(yīng)|f(ωs,ωi)|²的等高線圖。通過(guò)將聯(lián)合頻譜函數(shù)f(ωs,ωi)以及相應(yīng)的濾波器參數(shù)代入至公式(2)和(3)中，可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到信號(hào)光場(chǎng)的g⁽²⁾為1.79，信號(hào)光子的條件收集效率ηs為70％。

在級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻情況中，如圖1b所示，使用的則是由一段非線性介質(zhì)、一段色散介質(zhì)和一段非線性介質(zhì)依次構(gòu)成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，即兩段300m色散位移光纖中間焊接了一段單模光纖。注意到本情況中色散位移光纖總長(zhǎng)度同樣為600m，且模擬計(jì)算中保持其它裝置和參數(shù)與非級(jí)聯(lián)情況相同。假設(shè)這里的單模光纖在1550nm處群速度為20ps/km/nm，長(zhǎng)度為16.5m。通過(guò)將泵浦光、非線性介質(zhì)參數(shù)代入至本說(shuō)明書的公式(4)中，可以得到級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)聯(lián)合頻譜函數(shù)f(ωs,ωi)。圖2b所示為相應(yīng)|f(ωs,ωi)|²的等高線圖?？梢钥吹?，級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程所產(chǎn)生的信號(hào)(閑頻)光子強(qiáng)度在1555nm(1545nm)處具有明顯的干涉相長(zhǎng)情況，而在該波長(zhǎng)兩側(cè)則出現(xiàn)了干涉相消情況。這就使得信號(hào)和閑頻光子在濾波器收集范圍內(nèi)的帶寬變窄，從而有助于提高關(guān)聯(lián)光子對(duì)的在模式純度和收集效率。通過(guò)將相關(guān)參數(shù)代入至公式(2)和(3)中，得到級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程對(duì)應(yīng)的信號(hào)光場(chǎng)g⁽²⁾為1.87，條件收集效率ηs為87％。兩者都較非級(jí)聯(lián)情況為高，證實(shí)了關(guān)聯(lián)光子對(duì)模式純度和收集效率的提高。

現(xiàn)有技術(shù)中在非級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻情況下，若要提高信號(hào)光場(chǎng)的g⁽²⁾，通常做法是減小濾波器的帶寬，進(jìn)行窄帶濾波。對(duì)非級(jí)聯(lián)情況進(jìn)一步的模擬計(jì)算顯示，若將信號(hào)光子濾波通道和閑頻光子濾波通道的帶寬由之前模擬中的2.5nm減小為1.9nm后，信號(hào)光場(chǎng)的g⁽²⁾可達(dá)到與之前級(jí)聯(lián)情況下相同的數(shù)值，即1.87，但此時(shí)信號(hào)光子的條件收集效率ηs則下降為61％，大大低于級(jí)聯(lián)情況下的收集效率87％。

進(jìn)一步的，在本實(shí)施例級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻情況中，單模光纖的長(zhǎng)度是根據(jù)泵浦光和濾波器等參數(shù)選定的。選定過(guò)程的主要目標(biāo)是引入適當(dāng)?shù)纳?，使光子?duì)干涉相長(zhǎng)區(qū)域的中心波長(zhǎng)與所用濾波器的中心波長(zhǎng)基本重合。若加長(zhǎng)單模光纖長(zhǎng)度，信號(hào)(閑頻)光子干涉相長(zhǎng)區(qū)域的中心波長(zhǎng)將會(huì)向短(長(zhǎng))波長(zhǎng)方向移動(dòng)，同時(shí)帶寬變窄；若減小單模光纖長(zhǎng)度，則會(huì)呈現(xiàn)相反的結(jié)果。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)和需求選定級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中色散介質(zhì)的長(zhǎng)度。

實(shí)施例2:基于級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程的宣布式單光子源

本實(shí)施例的宣布式單光子源基于由一段非線性介質(zhì)、一段色散介質(zhì)和一段非線性介質(zhì)依次構(gòu)成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，裝置如圖3所示。裝置中的光纖和器件參數(shù)與實(shí)施例1相同。對(duì)于級(jí)聯(lián)四波混頻過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)和閑頻關(guān)聯(lián)光子對(duì)，利用單光子探測(cè)器對(duì)閑頻光子進(jìn)行探測(cè)，將探測(cè)器的探測(cè)信號(hào)作為宣布信號(hào)，從而將信號(hào)光子投影到單光子態(tài)上，作為宣布式單光子源的輸出。

如實(shí)施例1所指出，級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)的模式純度和收集效率都得到提高，這對(duì)宣布式單光子源具有重要意義。第一，模式純度的提高意味著，當(dāng)來(lái)源于獨(dú)立光源的宣布式單光子間發(fā)生量子干涉時(shí)，干涉可見(jiàn)度的提高；第二，收集效率的提高意味著宣布式單光子源宣布效率的提高，即對(duì)于一個(gè)宣布信號(hào)，被宣布單光子存在概率的提高。

實(shí)施例3：基于級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程的偏振糾纏光子對(duì)產(chǎn)生裝置

本實(shí)施例采用雙向泵浦的級(jí)聯(lián)自發(fā)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生偏振糾纏光子對(duì)，其基本裝置如圖4所示。用于產(chǎn)生光子對(duì)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)由一段色散位移光纖、一段單模光纖和一段色散位移光纖依次組成，光纖、泵浦光和濾波器參數(shù)與實(shí)施例1中的相應(yīng)參數(shù)相同。

脈沖泵浦光以45度線偏振方向入射進(jìn)偏振分束器，被分成兩束。其中偏振方向平行于紙面的一束順時(shí)針輸入至級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)級(jí)聯(lián)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生偏振方向與泵浦光相同的信號(hào)和閑頻關(guān)聯(lián)光子對(duì)(以|h>s|h>i表示)。而偏振方向垂直于紙面的一束逆時(shí)針輸入至上述級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)后，同樣通過(guò)級(jí)聯(lián)四波混頻過(guò)程產(chǎn)生偏振方向與泵浦光相同的信號(hào)和閑頻關(guān)聯(lián)光子對(duì)(以|v>s|v>i表示)。通過(guò)控制級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)所引入的偏振改變，使得順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蜉敵龅氖Ｓ啾闷止夂完P(guān)聯(lián)光子對(duì)在偏振分束器會(huì)合后，從相同的輸出口輸出。然后通過(guò)濾波器將信號(hào)和閑頻光子與剩余泵浦光分開(kāi)。由于相干疊加作用，濾波器輸出的信號(hào)和閑頻光子處于偏振糾纏態(tài)上。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在控制兩個(gè)過(guò)程所產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)的相位差和偏振態(tài)，還可得到偏振糾纏的四個(gè)bell態(tài)。另外，可以通過(guò)采取措施降低光纖的溫度(如將光纖浸入到液氮中)以抑制光纖產(chǎn)生的拉曼噪聲光子。

偏振糾纏光子對(duì)的質(zhì)量可以通過(guò)二階強(qiáng)度干涉條紋的可見(jiàn)度v來(lái)反映，條紋的可見(jiàn)度越高，糾纏光子對(duì)的質(zhì)量越好。通常有可見(jiàn)度v＝(car-1)/(car+1)，這里的car是光子對(duì)符合計(jì)數(shù)率與隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率比值。在不考慮噪聲的情況下，有car＝ηsηip^-1，這里ηs(i)是信號(hào)(閑頻)光子的條件收集效率，p為關(guān)聯(lián)光子對(duì)每泵浦脈沖的產(chǎn)生率。假設(shè)p＝0.02，當(dāng)ηs(i)＝87％時(shí)，根據(jù)以上關(guān)系，可以得到對(duì)應(yīng)的條紋可見(jiàn)度v＝95％；而當(dāng)ηs(i)＝61％時(shí)，對(duì)應(yīng)的條紋可見(jiàn)度v＝90％。由此可見(jiàn)，通過(guò)使用上述級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)可提高偏振糾纏光子對(duì)的收集效率(見(jiàn)實(shí)施例1)，進(jìn)而偏振糾纏光子對(duì)的質(zhì)量。

實(shí)施例4：基于塊狀晶體中級(jí)聯(lián)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程的關(guān)聯(lián)光子對(duì)產(chǎn)生裝置

本實(shí)施例通過(guò)脈沖光泵浦非線性介質(zhì)——無(wú)增益介質(zhì)——非線性介質(zhì)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)級(jí)聯(lián)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)。如圖5的裝置圖所示，其中的非線性介質(zhì)為0.5mm厚度的塊狀鈮酸鋰晶體，晶體切割滿足參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程的第一類相位匹配，無(wú)增益介質(zhì)為具有一定壓強(qiáng)的二氧化碳?xì)怏w。所產(chǎn)生的信號(hào)和閑頻光子以及剩余泵浦光以不同角度從級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)出射進(jìn)自由空間，通過(guò)濾光片和孔闌將其濾出。由于所產(chǎn)生的光子空間模式不單一，在時(shí)間和空間模式上具有相長(zhǎng)和相消的調(diào)制現(xiàn)象，因此相應(yīng)的濾光片和孔闌需要選擇合適的波長(zhǎng)和位置。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。