基于time-bin量子比特的高速率多路纠缠源——PPLN晶体应用

基于time-bin量子比特的高速率多路纠缠源

PPLN晶体应用

随着量子计算的不断发展，对于现代公钥加密的威胁也逐渐明显起来。而量子密钥分发（QKD）是克服这一威胁的方法之一，通过允许在多方之间安全地共享加密密钥，以抵御潜在的窃听者和量子计算器的解密能力。纠缠光子是此类应用的基本资源，因此纠缠分发是新兴量子网络计划的关键组成部分。来自加州理工学院的Andrew Mueller及其团队，在《Optica》期刊上发表了一篇题为"High-rate multiplexed entanglement source based on time-bin qubits for advanced quantum networks"的研究文章，介绍了他们开发的基于time-bin量子比特（qubits）的高速率多路复用纠缠源，而这一成果为构建前沿的量子网络提供了重要的基础技术。

Time-bin纠缠光子简介

以光子的不同时间模式编码的量子信息称为time-bin量子比特。在这类量子比特中，光子被编码到较早或者较晚到达的时间里，也就是说time-bin量子比特是光子到达时刻的相干叠加，描述一个光子处于两个时间单位的概率幅。

相对于基于偏振的系统相比，time-bin纠缠光子源具有相当的优势。在时间模式中，相对的相位是稳定的，因此在远距离的传输中不会发生严重的退相干。自由空间中用于传输的偏振态对于光纤中的双折射和散射十分敏感，而Time-bin这种量子比特编码形式凭借其在光纤中对抗退相干的鲁棒性，最适合于长距离传输。非等臂干涉仪是产生 Time-bin 量子比特的一种常用方法。

Time-bin编码的概念，利用单光子。光路用红线标出。光学元件:BS -分束器，M -反射镜，φ-长程总相位变化。取自Misiaszek-Schreyner, Marta. "Applications of single-photon technology." arxiv preprint arxiv:2205.10221 (2022).

实验内容

在本文中，通过将4.09-GHz的锁模激光器的光通过80ps的延迟干涉仪（12.5-GHz自由光谱范围）导入到非线性晶体中，以实现高速纠缠源。低抖动差分超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）可以使time-bin量子比特解析为80ps宽的bin。而波长复用被用来实现多个高可见度的通道配对，这些配对共同加起来形成了一个高符合率。在低平均光子数（μL=5.6×10-5±9.0×10-6）时8通道系统可见度可达到平均99.3%，而在较高功率时（μH=5.0×10-3±3.0×10-4），演示时总符合率为3.55MHz，平均可见度为96.6%。装置具体分为纠缠光子源以及光谱复用以及探测部分。

纠缠光子源

下图展现了该实验装置。来自锁模激光器的脉冲光，中心波长为1539.47nm，通过一个80ps延迟线干涉仪。源干涉仪每个时钟周期产生两个脉冲，用于编码early/late的基础状态（|e⟩, |l⟩），随后由一个二次谐波生成（SHG）模块上转换，并通过一个type-0的自发参量下转换（SPDC）模块（Covesion），由下转换产生纠缠光子对。SPDC模块是一个光纤耦合进入的1cm氧化镁掺杂铌酸锂（MgO:PPLN）波导，具有18.3μm周期。上转换的脉冲在769nm处具有243 GHz（0.48nm）的全宽半高带宽。

锁模激光器（Pritel UOC）的脉冲通过80ps延迟线干涉仪分成两束，然后在二次谐波生成+掺铒光纤放大器（SHG + EDFA）模块中进行上转换和放大。来自SHG模块的短PM光纤连接到一个非线性晶体（Mgo:PPLN），通过自发参量下转换（SPDC）生成光子对。粗波分复用（CWDM）模块将光子对的光谱分离成8个13nm宽的波段，分别围绕1530和1550nm，对应于信号和闲置光子。信号和闲置光子分别被引导到Bob和Alice站点。

光谱复用和探测

产生的光子对通过一个粗波分复用器（CWDM）分离，该复用器的作用是将SPDC光谱分成宽带宽的两半。对于在Alice和Bob使用超过16个密集波分复用器（DWDM）通道的系统，CWDM将替换成一个分束器，该分束器有效地将1540nm以下的完整SPDC光谱发送给Bob，将1540nm以上的光谱发送给Alice。PPLN产生的纠缠闲置和信号光子分别被发送到标记为Alice和Bob的接收站。每个接收站的一个读出干涉仪将所有光谱带投影到一个复合的时间-相位基础上。在这里，DWDM将能量-时间纠缠的光子对分成光谱通道。使用100GHz间隔的密集波分复用器（DWDM）模块将每个频率通道引导到不同的光纤中。实验中采用两个超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）进行光子到达时间的测量，并分辨通过多路复用技术产生的多个高可见度通道对。

在实验中使用的ITU信道。用相同颜色突出显示的信道对遵守SPDC的相位和泵浦能量匹配条件。为了评估Alice的DWDM复用器的全部16个信道（27-42），Bob的8通道DWDM被替换为具有可调谐谐振频率的窄带滤波器（图中未显示）。

PPLN的作用

高速率纠缠分布实现了基于高速率纠缠的QKD，以及具有前沿量子网络特征的更一般的操作，而这些在许多指标上都有令人印象深刻的表现。目前许多研究都强调需要利用高总量度、光谱亮度、收集效率和产生纠缠光子对的高可见性，而通过非线性晶体可以满足实际高速率纠缠分布的需求。

在量子通信和光子学领域内，非线性光学晶体起到了至关重要的作用。在这项研究中，量子通信依赖于量子纠缠态的生成和分发，而使用Covesion的PPLN晶体（周期极化铌酸锂晶体），通过非线性光学效应——自发参量下转换（SPDC）产生纠缠光子对，而这些光子对是实现QKD和量子网络的基础。Covesion的PPLN晶体凭借其高非线性系数和精确地极化周期，实现了高效率的光子对产生，这将提高量子通信系统的整体速率。本文中采用WGP-1550-10光纤耦合加固型封装波导应用于SPDC，在具有出色转化效率的同时兼具易用与可靠，并可配套提供温度控制器，保证晶体在稳定的温度下工作，满足相位匹配条件以获得稳定的纠缠光子对产生。如果您对于封装波导有更多其他的需求，Covesion也提供定制服务，包括周期以及晶体长度等等参数。