纠缠光子源的性能模型与实验实现

发布时间：2022-01-23 03:31

　　量子计算是高性能计算的前沿研究方向,光子物理体系是量子计算的重要实现途径之一。在光量子计算系统中,纠缠光子源用于生成编码量子信息的光子,其性能直接影响量子比特的数量与质量。系统分析了最常用的纠缠光子源技术——基于自发参量下转换的纠缠光子源,研究了基于I型自发参量下转换纠缠多光子源的纯度、亮度的性能模型,推导出由纠缠双光子获得纠缠多光子的关键条件。同时,利用偏硼酸钡晶体器件设计实现了I型自发参量下转换纠缠双光子源,基本验证了上述性能模型。本文模型与实验结果,为在光量子计算系统中实现更多量子比特提供了理论和技术支撑。 

【文章来源】：计算机工程与科学. 2020,42(10)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

利用I型SPDC过程产生纠缠双光子泵浦光会在晶

纠缠多光子的产生,以纠缠双光子为基础,通过干涉过程完成,如图2所示。图中的PBS为偏振分束器,偏振分束器会反射垂直偏振的光子,透射水平偏振的光子。当2对纠缠双光子各取出一个输入到偏振分束器上后,并在2个输出端各探测到1个光子时,2个光子要么同时被透射(都处于水平偏振),要么同时被反射(都处于垂直偏振)。而此时这4个光子的状态要么同时处于水平偏振,要么同时处于垂直偏振,当满足一定条件使得这2种情况无法区分时,这4个光子就形成了偏振纠缠。对于更多光子数的纠缠原理也是类似的。由于动量守恒和能量守恒,SPDC过程所产生的双光子在频率和动量上都是高度关联的,而这样的关联会破坏上述2种情况的不可区分性。3.3节将理论分析影响这种不可区分性的因素,得出产生多光子纠缠的条件。

结合一套具体实验的参数,泵浦光和转换光子的中心波长分别为405 nm和810 nm,非线性晶体选BBO晶体,DL值设为400 fs,本文做出了不同的σp以及σ下的双光子波函数的图像,如图3所示。图3中横坐标为τ-,纵坐标为τ+,单位为fs。从图3中可以看出,I型SPDC过程产生的双光子在τ-方向是对称的,但是一般情况下,在τ+方向上是不对称的,这与II型过程产生的光子是相反的。而Ψ(τ++Δτ,τ-)的波函数图像对应于图中Ψ(τ+,τ-)的波函数在纵轴上平移Δτ。对于图3a,在没有滤波且泵浦光时间带宽较窄时,|VV〉和|HH〉重叠区域较少,即可区分性很大,这导致纯度很低;当泵浦光的时间带宽为3 ps时,对于图3b,此时泵浦光接近于在时间上连续的激光,此时2种波函数完全重叠,纯度较高;对于时间带宽较窄的泵浦光,对于图3c和图3d,当滤波的带宽变窄时,2种波函数重叠区域增加,纯度提高。

【参考文献】：
硕士论文
[1]面向量子计算的纠缠双光子产生和探测技术[D]. 王冬阳.国防科学技术大学 2015



本文编号：3603511