频率纠缠源量子特性的测量及传送带量子时间同步的研究

发布时间：2020-11-14 18:25

　　 远距离高精度的时间同步系统在国防安全、导航定位、引力波探测及基础科学研究等方面具有举足轻重的作用。传统时间同步方法的精度受限于经典测量的散粒噪声极限,而在量子系统中,一对处于纠缠态的光子因其纠缠特性,信号脉冲到达时延的测量精度可以突破散粒噪声极限,到达自然物理原理所能达到的最根本极限-量子力学的海森堡极限。因此利用量子纠缠源进行的量子时间同步具有巨大的应用前景。量子时间同步协议利用纠缠源的非经典特性及高灵敏度的量子测量技术,实现了高精度的时间同步,是目前各个国家时频体系的重要研究方向。本文利用飞秒脉冲激光泵浦非线性PPKTP晶体,通过自发参量下转换产生了频率正关联纠缠光子对,并利用Mach-Zehnder(MZ)干涉仪对纠缠源量子特性进行了同时测量。在此基础上,对Sagnac效应进行了量子测量,并结合Sagnac效应对传送带量子时间同步协议进行了理论扩展及实验研究。本论文的主要研究内容如下:1.对频率正关联纠缠源的产生装置进行了优化,分析获得了泵浦光在输出功率一定的情况下,入射到PPKTP晶体中的最佳聚焦尺寸;对纠缠光子对在光纤传输路径中的损耗和色散进行了分析,在此基础上验证了色散补偿光纤对纠缠光子对在光纤传输路径中色散展宽的补偿作用;比较了在1582nm波长处半导体单光子探测器及超导单光子探测器的性能,超导纳米线单光子探测器的探测效率可高于50%,时间抖动为79ps,暗计数为100Hz,相对于半导体探测器10%的探测效率,249ps的时间抖动及2kHz的暗计数,在对纠缠光子的探测上具有很大的优势。2.利用Mach-Zehnder(MZ)干涉仪对制备的频率正关联纠缠源的量子特性(频谱不可分性和频率纠缠度)进行了同时测量。理论上推导了脉冲泵浦条件下II类自发参量下转换过程产生的纠缠双光子源的时域分布,由于固有群速度时延的存在,信号光和闲置光在II类非线性晶体里存在时间差,导致MZ干涉图谱出现中心振荡包络及包络两侧的Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉的边带凹陷,通过测量HOM凹陷的深度和两凹陷之间的距离以及中心包络的宽度,频谱不可分性和频率纠缠度就可以同时被测量,实验上得到频率正关联纠缠源的频谱不可分性VHOM=0.52±0.02,频率纠缠度Rt=15.8±0.8。3.利用频率正关联纠缠源对Sagnac效应进行了量子测量。基于Sagnac效应对传送带量子时间同步协议在理论上进行了扩展:在时钟两地分别引入相同的Sagnac环A和Sagnac环B,将钟差与Sagnac环A和Sagnac环B的时延差差值联系起来,通过HOM二阶量子干涉测量该时延差差值,就可以得到钟差,从而实现时钟同步。同时搭建了基于Saganc效应的传送带量子时间同步协议的实验系统,对实验系统的HOM干涉环路进行了长时间的锁定测量,评估了该系统具有fs量级的时间同步稳定度,验证了此协议的可行性。4.提出了侧边锁定的方法来优化量子时间同步系统中的HOM干涉环路的锁定,实现了更快的环路锁定反馈速率,更高的锁定信噪比及更好的环路锁定稳定度。同时研究并发现了在纠缠双光子的符合计数率为70/s时,HOM干涉环路锁定长期稳定度依然在fs量级,为更长距离更高精度的量子时间同步提供支持。5.理论及实验上研究了级联HOM干涉仪的双光子干涉现象,并借助费曼图解释了双光子态在入射级联50/50分束器后的出射情况;基于此二阶量子干涉现象提出了一种时延的量子测量方法,通过观察HOM干涉图谱的多个凹陷位置,就可以直观地得到级联HOM干涉仪的路径时延差,实验上实现了亚皮秒量级的测量精度及飞秒量级的测量稳定度。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413
【部分图文】：

图１．１频率关联类型图??

１．１．１纠缠类型??频率纠缠源类型的测量通常是在波长域实现。我们在实验上通过光栅单色??仪进行双光子琺合频谱的测量，如图１．１所示，当双光子联合频谱沿正对角线方??向的宽度大于沿负对角线方向的宽度，则为频率正关联；当双光子联合频谱沿正??对角线方向的宽度等于沿负对角线方向的宽度，则为頻ｉ率不关联；当双光子联合??频谱纟ｍｎ对角线方向的宽度小于沿负对角线方向的宽度，则为频率反关联。??（ａ）频率正关联?（ｂ）频率不关联?（Ｃ）频率反关联??｜ｙｘ?］?Ｘ?ＩＸ??Ａ?Ａ?Ａ??图１．１频率关联类型图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｔｈｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｖａｒｉｅｓ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ??１．１．２频谱不可分性??频率纠缠源的频谱不可分性是指自发参釁下转换过程产生纠缠光子对的信??号光（ｓｉｇｎａｌ）和闸置光（ｉｄｌｅｒ）的频谱重合度目前实验上主要通过ＨＯＭ??干涉（二阶量子午涉）的符合测量进行频谱不可分性的度量１＠，如图Ｌ２所示，??信号光ｓｉｇｎａｌ和闲置光ｉｄｌｅｒ分别入射到５０／５０分束器上，干涉后靖号到达探测??器１和探测器２进行二阶关联平涉测量，通过符合测量装置进行符合测量，得到??ＨＯＭ于涉的宁涉可见度??双光子态的ＨＯＭ干涉可见度可以描述为??Ｖ?ｆ?ｆ?ｄａ）ｓｄａ）ｉ＼Ａ（ｗｓ，ａ）ｉ）Ａ（ｗｉ，＾）｜?（ｉ??ｆ?ｆ?ｄ〇）ｓｄａ）ｉ＼Ａ｛ａ）ｓ

间的关联测暈，它体现了光子对在时间上的相关性，同时可以消除光强涨落的影??响。时间上的相关性测量是利用符合测量装置记录光子对信号之间的到达时间??差。如图１．４是直接符合测量的示意图，－对光子分别利甩单光子探测器进行探??测，弁利用符合测量装置进行符合测暈－??根揭量子力学的处理方法，光子对的符合测量可以由二阶量子关联函数Ｇ（２）??表示。假定两个理想的单光子探测器分别置于空何虐ｎ，ｒ２，且在ｆ?＝?０时刻受到??８??
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本文编号：2883812