基于time-bin量子比特的高速率多路糾纏源

PPLN晶體應(yīng)用

隨著量子計(jì)算的不斷發(fā)展，對(duì)于現(xiàn)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，以抵御潛在的竊聽(tīng)者和量子計(jì)算器的解密能力。糾纏光子是此類應(yīng)用的基本資源，因此糾纏分發(fā)是新興量子網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(tuán)隊(duì)，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(fù)用糾纏源，而這一成果為構(gòu)建前沿的量子網(wǎng)絡(luò)提供了重要的基礎(chǔ)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為time-bin量子比特。在這類量子比特中，光子被編碼到較早或者較晚到達(dá)的時(shí)間里，也就是說(shuō)time-bin量子比特是光子到達(dá)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(duì)于基于偏振的系統(tǒng)相比，time-bin糾纏光子源具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。在時(shí)間模式中，相對(duì)的相位是穩(wěn)定的，因此在遠(yuǎn)距離的傳輸中不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的退相干。自由空間中用于傳輸?shù)钠駪B(tài)對(duì)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(duì)抗退相干的魯棒性，最適合于長(zhǎng)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。光路用紅線標(biāo)出。光學(xué)元件:BS -分束器，M -反射鏡，φ-長(zhǎng)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(yàn)內(nèi)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(dǎo)入到非線性晶體中，以實(shí)現(xiàn)高速糾纏源。低抖動(dòng)差分超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPDs）可以使time-bin量子比特解析為80ps寬的bin。而波長(zhǎng)復(fù)用被用來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)高可見(jiàn)度的通道配對(duì)，這些配對(duì)共同加起來(lái)形成了一個(gè)高符合率。在低平均光子數(shù)（μL=5.6×10-5±9.0×10-6）時(shí)8通道系統(tǒng)可見(jiàn)度可達(dá)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(fù)用以及探測(cè)部分。

糾纏光子源

下圖展現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)裝置。來(lái)自鎖模激光器的脈沖光，中心波長(zhǎng)為1539.47nm，通過(guò)一個(gè)80ps延遲線干涉儀。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(chǔ)狀態(tài)（|e?, |l?），隨后由一個(gè)二次諧波生成（SHG）模塊上轉(zhuǎn)換，并通過(guò)一個(gè)type-0的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）模塊（Covesion），由下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。SPDC模塊是一個(gè)光纖耦合進(jìn)入的1cm氧化鎂摻雜鈮酸鋰（MgO:PPLN）波導(dǎo)，具有18.3μm周期。上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換和放大。來(lái)自SHG模塊的短PM光纖連接到一個(gè)非線性晶體（Mgo:PPLN），通過(guò)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）生成光子對(duì)。粗波分復(fù)用（CWDM）模塊將光子對(duì)的光譜分離成8個(gè)13nm寬的波段，分別圍繞1530和1550nm，對(duì)應(yīng)于信號(hào)和閑置光子。信號(hào)和閑置光子分別被引導(dǎo)到Bob和Alice站點(diǎn)。

光譜復(fù)用和探測(cè)

產(chǎn)生的光子對(duì)通過(guò)一個(gè)粗波分復(fù)用器（CWDM）分離，該復(fù)用器的作用是將SPDC光譜分成寬帶寬的兩半。對(duì)于在Alice和Bob使用超過(guò)16個(gè)密集波分復(fù)用器（DWDM）通道的系統(tǒng)，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(hào)光子分別被發(fā)送到標(biāo)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(fù)合的時(shí)間-相位基礎(chǔ)上。在這里，DWDM將能量-時(shí)間糾纏的光子對(duì)分成光譜通道。使用100GHz間隔的密集波分復(fù)用器（DWDM）模塊將每個(gè)頻率通道引導(dǎo)到不同的光纖中。實(shí)驗(yàn)中采用兩個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPDs）進(jìn)行光子到達(dá)時(shí)間的測(cè)量，并分辨通過(guò)多路復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生的多個(gè)高可見(jiàn)度通道對(duì)。

在實(shí)驗(yàn)中使用的ITU信道。用相同顏色突出顯示的信道對(duì)遵守SPDC的相位和泵浦能量匹配條件。為了評(píng)估Alice的DWDM復(fù)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(diào)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(xiàn)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(biāo)上都有令人印象深刻的表現(xiàn)。目前許多研究都強(qiáng)調(diào)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(duì)的高可見(jiàn)性，而通過(guò)非線性晶體可以滿足實(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(nèi)，非線性光學(xué)晶體起到了至關(guān)重要的作用。在這項(xiàng)研究中，量子通信依賴于量子糾纏態(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)非線性光學(xué)效應(yīng)——自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，而這些光子對(duì)是實(shí)現(xiàn)QKD和量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。Covesion的PPLN晶體憑借其高非線性系數(shù)和精確地極化周期，實(shí)現(xiàn)了高效率的光子對(duì)產(chǎn)生，這將提高量子通信系統(tǒng)的整體速率。本文中采用WGP-1550-10光纖耦合加固型封裝波導(dǎo)應(yīng)用于SPDC，在具有出色轉(zhuǎn)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(wěn)定的溫度下工作，滿足相位匹配條件以獲得穩(wěn)定的糾纏光子對(duì)產(chǎn)生。如果您對(duì)于封裝波導(dǎo)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(zhǎng)度等等參數(shù)。