基于time-bin量子比特的高速率多路糾纏源——ppln晶體應用

隨著(zhù)量子計算的不斷發(fā)展，對于現代公鑰加密的威脅也逐漸明顯起來(lái)。而量子密鑰分發(fā)（QKD）是克服這一威脅的方法之一，通過(guò)允許在多方之間安全地共享加密密鑰，以抵御潛在的qie聽(tīng)者和量子計算器的解密能力。糾纏光子是此類(lèi)應用的基本資源，因此糾纏分發(fā)是新興量子網(wǎng)絡(luò )計劃的關(guān)鍵組成部分。來(lái)自加州理工學(xué)院的Andrew Mueller及其團隊，在《Optica》期刊上發(fā)表了一篇題為"High-rate multiplexed entanglement source based on time-bin qubits for advanced quantum networks"的研究文章，介紹了他們開(kāi)發(fā)的基于time-bin量子比特（qubits）的高速率多路復用糾纏源，而這一成果為構建前沿的量子網(wǎng)絡(luò )提供了重要的基礎技術(shù)。

Time-bin糾纏光子簡(jiǎn)介

以光子的不同時(shí)間模式編碼的量子信息稱(chēng)為time-bin量子比特。在這類(lèi)量子比特中，光子被編碼到較早或者較晚到達的時(shí)間里，也就是說(shuō)time-bin量子比特是光子到達時(shí)刻的相干疊加，描述一個(gè)光子處于兩個(gè)時(shí)間單位的概率幅。

相對于基于偏振的系統相比，time-bin糾纏光子源具有相當的優(yōu)勢。在時(shí)間模式中，相對的相位是穩定的，因此在遠距離的傳輸中不會(huì )發(fā)生嚴重的退相干。自由空間中用于傳輸的偏振態(tài)對于光纖中的雙折射和散射十分敏感，而Time-bin這種量子比特編碼形式憑借其在光纖中對抗退相干的魯棒性，適合于長(cháng)距離傳輸。非等臂干涉儀是產(chǎn)生 Time-bin 量子比特的一種常用方法。

Time-bin編碼的概念，利用單光子。光路用紅線(xiàn)標出。光學(xué)元件:BS -分束器，M -反射鏡，φ -長(cháng)程總相位變化。取自Misiaszek-Schreyner, Marta. "Applications of single-photon technology." arxiv preprint arxiv:2205.10221 (2022). 

實(shí)驗內容

在本文中，通過(guò)將4.09-GHz的鎖模激光器的光通過(guò)80ps的延遲干涉儀（12.5-GHz自由光譜范圍）導入到非線(xiàn)性晶體中，以實(shí)現高速糾纏源。低抖動(dòng)差分超導納米線(xiàn)單光子探測器（SNSPDs）可以使time-bin量子比特解析為80ps寬的bin。而波長(cháng)復用被用來(lái)實(shí)現多個(gè)高可見(jiàn)度的通道配對，這些配對共同加起來(lái)形成了一個(gè)高符合率。在低平均光子數（μL=5.6×10-5±9.0×10-6）時(shí)8通道系統可見(jiàn)度可達到平均99.3%，而在較高功率時(shí)（μH=5.0×10-3±3.0×10-4），演示時(shí)總符合率為3.55MHz，平均可見(jiàn)度為96.6%。裝置具體分為糾纏光子源以及光譜復用以及探測部分。

糾纏光子源

下圖展現了該實(shí)驗裝置。來(lái)自鎖模激光器的脈沖光，中心波長(cháng)為1539.47nm，通過(guò)一個(gè)80ps延遲線(xiàn)干涉儀。源干涉儀每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，用于編碼early/late的基礎狀態(tài)（|e?, |l?），隨后由一個(gè)二次諧波生成（SHG）模塊上轉換，并通過(guò)一個(gè)type-0的自發(fā)參量下轉換（SPDC）模塊（Covesion），由下轉換產(chǎn)生糾纏光子對。SPDC模塊是一個(gè)進(jìn)入的25px氧化鎂摻雜鈮酸鋰（MgO:PPLN）波導，具有18.3μm周期。上轉換的脈沖在769nm處具有243 GHz（0.48nm）的全寬半高帶寬。

鎖模激光器（Pritel UOC）的脈沖通過(guò)80ps延遲線(xiàn)干涉儀分成兩束，然后在二次諧波生成+摻鉺光纖放大器（SHG + EDFA）模塊中進(jìn)行上轉換和放大。來(lái)自SHG模塊的短PM光纖連接到一個(gè)非線(xiàn)性晶體（Mgo:PPLN），通過(guò)自發(fā)參量下轉換（SPDC）生成光子對。粗波分復用（CWDM）模塊將光子對的光譜分離成8個(gè)13nm寬的波段，分別圍繞1530和1550nm，對應于信號和閑置光子。信號和閑置光子分別被引導到Bob和Alice站點(diǎn)。

光譜復用和探測

產(chǎn)生的光子對通過(guò)一個(gè)粗波分復用器（CWDM）分離，該復用器的作用是將SPDC光譜分成寬帶寬的兩半。對于在A(yíng)lice和Bob使用超過(guò)16個(gè)密集波分復用器（DWDM）通道的系統，CWDM將替換成一個(gè)分束器，該分束器有效地將1540nm以下的完整SPDC光譜發(fā)送給Bob，將1540nm以上的光譜發(fā)送給Alice。PPLN產(chǎn)生的糾纏閑置和信號光子分別被發(fā)送到標記為Alice和Bob的接收站。每個(gè)接收站的一個(gè)讀出干涉儀將所有光譜帶投影到一個(gè)復合的時(shí)間-相位基礎上。在這里，DWDM將能量-時(shí)間糾纏的光子對分成光譜通道。使用100GHz間隔的密集波分復用器（DWDM）模塊將每個(gè)頻率通道引導到不同的光纖中。實(shí)驗中采用兩個(gè)超導納米線(xiàn)單光子探測器（SNSPDs）進(jìn)行光子到達時(shí)間的測量，并分辨通過(guò)多路復用技術(shù)產(chǎn)生的多個(gè)高可見(jiàn)度通道對。

在實(shí)驗中使用的ITU信道。用相同顏色突出顯示的信道對遵守SPDC的相位和泵浦能量匹配條件。為了評估Alice的DWDM復用器的全部16個(gè)信道（27-42），Bob的8通道DWDM被替換為具有可調諧諧振頻率的窄帶濾波器（圖中未顯示）。

PPLN的作用

高速率糾纏分布實(shí)現了基于高速率糾纏的QKD，以及具有前沿量子網(wǎng)絡(luò )特征的更一般的操作，而這些在許多指標上都有令人印象深刻的表現。目前許多研究都強調需要利用高總量度、光譜亮度、收集效率和產(chǎn)生糾纏光子對的高可見(jiàn)性，而通過(guò)非線(xiàn)性晶體可以滿(mǎn)足實(shí)際高速率糾纏分布的需求。

在量子通信和光子學(xué)領(lǐng)域內，非線(xiàn)性光學(xué)晶體起到了至關(guān)重要的作用。在這項研究中，量子通信依賴(lài)于量子糾纏態(tài)的生成和分發(fā)，而使用Covesion的PPLN晶體（周期極化鈮酸鋰晶體），通過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)效應——自發(fā)參量下轉換（SPDC）產(chǎn)生糾纏光子對，而這些光子對是實(shí)現QKD和量子網(wǎng)絡(luò )的基礎。Covesion的PPLN晶體憑借其高非線(xiàn)性系數和精確地極化周期，實(shí)現了高效率的光子對產(chǎn)生，這將提高量子通信系統的整體速率。本文中采用WGP-1550-10光纖耦合加固型封裝波導應用于SPDC，在具有出色轉化效率的同時(shí)兼具易用與可靠，并可配套提供溫度控制器，保證晶體在穩定的溫度下工作，滿(mǎn)足相位匹配條件以獲得穩定的糾纏光子對產(chǎn)生。如果您對于封裝波導有更多其他的需求，Covesion也提供定制服務(wù)，包括周期以及晶體長(cháng)度等等參數。

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