解析PPLN晶体在量子技术快速商业化的关键作用（一）：应用技术

量子技术，曾经似乎是仅存在于科幻小说中的天方夜谭，但如今逐渐深入到我们的日常中改善我们的生活。而在前端的科研领域，如量子通信和量子计算机，量子技术同样令人兴奋，影响也将越来越显著，而非线性光学晶体（NLO）将在该技术的商业化过程中发挥关键作用。

*本文来源于英国Covesion公司的白皮书《Non-linear Optical Crystals Used for Quantum Technology》。

https://covesion.com/knowLEDge-hub/white-paper-non-linear-optical-crystals-used-for-quantum-technology/

量子技术主要这三个领域内多种应用中发挥作用：

传感与计时：利用量子系统对环境影响敏感的特性，可以进一步测量物理特性。

通信：试图观察量子通信通道将导致系统状态不可逆地改变，这种改变是可被交换信息的各方检测到的。量子网络允许在远距离用户之间分发纠缠光子作为‘密钥’，从而确保数据没有被截取。

计算机处理：利用叠加和纠缠原理，理论上可以显著提高经典计算器处理某些问题的速度。量子计算有望彻底改变目前的计算方式，尤其是针对大数据和复杂计算的情况下。

早期的产品现在已经商业化，如今正是量子技术蓬勃发展之际，对各类设备的供应商的要求也水涨船高，而光子学将是供应链的核心，无论是产生纠缠光子对，冷原子还是产生稳定的量子态，而 NLO 晶体和元件都将是关键的推动因素。

而在 NLO 晶体中，掺杂氧化镁的铌酸锂（MgO:LN）拥有完善的晶体供应链，因为该材料同样在其他元件中被广泛应用，价格也相对低廉。氧化镁的掺杂也让晶体的抗光损伤能力提高显著，并且可通过周期性极化来提高频率转换效率，被称为 PPLN 晶体。在商用非线性晶体材料中，PPLN 具有高非线性系数，因此具有很高的转换效率。对于可调节波长而言，MgO:PPLN 晶体的透光范围为 400-5000nm，在不同的周期设计以及温度调节下，可以灵活实现CW和脉冲源不同波长之间的转换。

NLO 晶体在量子应用中的应用示例

原子冷却和捕获：激光冷却和捕获是将原子降低到接近绝对零度，并在阱中限制和支撑这些原子的技术。处于基态的原子可以存储量子信息，而高度激发的里德堡原子之间的长程相互作用对于量子计算中许多量子信息协议的成功运行至关重要。

原子干涉检测提供高精度和可扩展技术能够更敏感地检测诸如更小的尺寸和更大深度等特征。许多原子光学应用倾向于使用高激光功率，同时保持窄线宽和高空间光束质量。例如，在利用冷原子干涉测量中，从1560nm源生成780nm（SHG）用于铷原子的磁光捕获（MOT），如重力测量和原子钟。[1]

在这些应用中，现成商用（COTS）激光器在1560nm波长上可以高转换效率倍频到780nm，在波导解决方案中已经展示了高达70%的的转换效率[2]。将商用泵浦激光器组件与倍频晶体相结合，可以经济地生成支持铷原子捕获所需的功率和窄线宽的780nm激光。

量子密钥分发（QKD）:量子密钥用于数据的安全传输。它使两个参与者能够生成一个只有他们自己知道的共享随机密钥，然后可以用来加密和解密消息。双向转换422nm <-> 1550nm（SFG/DFG）促进了QKD。这一应用需要在短波长（用于捕获离子量子比特的原子跃迁）和通信C波段（光纤传输低损耗）之间达到高转换效率。使用特别设计的周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体已经证明了在单光子水平上422nm（锶离子发射）和1550nm之间的上转换和下转换。这为构建大规模量子网络提供了一个关键组件[3]。

基于非线性晶体的激光系统已用于许多量子应用。 MgO:PPLN 晶体在商用 NLO 晶体中具有max有效非线性系数，是 380nm 至 5μm 范围内应用首先考虑的晶体之一，但对于激光功率非常高（例如 532nm处>3W CW）或所需波长超出光学范围时，可以使用KTP、BBO和LBO晶体。

基于 PPLN 的 NLO 晶体的可用波长范围

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，专注于highly efficient非线性频率转换的MgO:PPLN（镁掺杂周期极化铌酸锂）晶体和波导的研究、开发和制造。他们提供广泛的产品，包括PPLN块体晶体、PPLN波导以及PPLN配件。此外，他们还提供定制PPLN服务，利用其极化技术为独特的PPLN晶体设计和制造提供广泛的技术支持，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。

参考文献

1.Diviya Devani, et al., “Gravity sensing: cold atom trap onboard a 6U CubeSat,” CEAS Space Journal, vol. 12, p. 539–549, 2020.

2.Sam A. Berry, et al, “Zn-indiffused diced ridge waveguides in MgO:PPLN generating 1 watt 780 nm SHG at 70% efficiency,” OSA Continuum, vol. 2, no. 12, pp. 3456-3464, 2019.

Thomas A. Wright, et al, “Two-Way Photonic Interface for Linking the Sr+ transition at 422 nm to the Telecommunication,” Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.

审核编辑 黄宇