一种微纳波导及偏振和能量-时间量子超纠缠态制备方法技术

本发明专利技术提供一种微纳波导及偏振和能量

【技术实现步骤摘要】
一种微纳波导及偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法


[0001]本专利技术涉及量子通信领域，具体地，涉及一种微纳波导及偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法。

技术介绍

[0002]量子纠缠源是量子系统中不可或缺的部分。基于二阶非线性构成的铌酸锂波导结构，在腔内发生自发参量下转换(SPDC)过程，是一种产生量子纠缠源的有效方案。SPDC过程是指二阶非线性材料中泵浦光(频率为ω
p
)和非线性材料相互作用生成信号光(频率为ω
S
)和闲置光(频率为ω
i
)的非线性过程。该过程需要满足能量守恒条件(ω
p
＝ω
S
+ω
i
)和动量守恒条件
[0003]量子纠缠可以在多个自由度中产生，如偏振自由度、空间模式自由度和时间自由度。这种在多个自由度都存在纠缠关系的量子态称为超纠缠态。超纠缠光子对具有优秀的信息携带能力，是量子通信系统非常理想的物理载体。由于超纠缠态具有多个自由度，因此可以提高量子通信的信道容量和安全性，在量子信息科学等诸多应用实践领域发挥着重要作用。
[0004]目前，量子超纠缠态的制备往往是利用光纤法布里
‑
珀罗腔(PPFC)和50：50分光器中的HOM干涉，只能制备离散变量的超纠缠光子对，并且难以实现片上集成。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种微纳波导及偏振和能量
‑/>时间量子超纠缠态制备方法。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供一种微纳波导，包括一个由铌酸锂晶体膜制备成的非线性直波导，基于所述铌酸锂晶体膜的二阶非线性系数χ
(2)
，在所述直波导结构内发生自发参量下转换SPDC过程，一个泵浦光光子产生一个信号光光子和一个闲置光光子；产生的所述信号光光子和闲置光光子为超纠缠态双光子对，即在能量
‑
时间维度存在纠缠关系，同时在偏振维度也存在纠缠关系。
[0007]优选地，所述非线性直波导的横截面为梯形，通过优化所述横截面的结构改变所述直波导的色散关系，控制生成双光子对的偏振纠缠关系以及带宽分布。
[0008]优选地，所述铌酸锂晶体膜为z
‑
cut铌酸锂薄膜，其底部设有SiO2层构成的衬底。
[0009]优选地，所述铌酸锂晶体膜的厚度为d2＝0.6μm，宽度W＝2μm，刻蚀深度d1＝0.4μm，刻蚀角度θ＝75
°
，所述衬底厚度厚度d3＝2μm。
[0010]根据本专利技术的第二个方面，提供一种基于微纳波导的偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法，泵浦光正入射至所述非线性直波导，入射的泵浦光频率ω
p
，发生自发参量下转换后生成信号光ω
s
和闲置光ω
i
；在所述转化过程中，进行波矢失配量补偿，使所述信号光和闲置光之间在偏振维度和能量
‑
时间维度同时存在纠缠关系，产生超纠缠态双光子对，并且具有一定的带宽分布。
[0011]优选地，在所述自发参量下转换过程中，满足能量守恒条件基于波导的色散关系，不满足动量守恒条件k
p
＝k
s
+k
i
，泵浦光和信号光、闲置光之间存在波矢失配量用单周期极化的方式，进行波矢失配量补偿，所述补偿的波矢失配量k
pp
＝k
p
‑
k
s
‑
k
i
。
[0012]优选地，所述单周期极化的晶体能够补偿的波矢失配量k
pp
与极化周期Λ满足与极化周期Λ满足
[0013]优选地，对于晶体中存在的双折射现象，一束泵浦光(o光)正入射至非线性波导，经过自发参量下转换后生成的信号光(o/e光)和闲置光(o/e光)，其偏振态共有22＝4种可能的情况，不同偏振情况具有不同的转化效率；通过控制非线性直波导的色散关系，可以让其中两种偏振态情况具有极高的转化效率，而、其余偏振态情况的转化效率极低，使得生成双光子对的量子态满足(其中|H>代表水平偏振态，|V>代表垂直偏振态)，从而实现偏振维度的双光子纠缠。
[0014]优选地，自发参量下转换后生成信号光ω
s
和闲置光ω
i
为在能量
‑
时间维度具有纠缠关系的双光子对，其联合不确定乘积满足Δ(ω
s
+ω
i
)
·
Δ(t
s
‑
t
i
)<1，t
S
和t
i
表示到达时间。
[0015]根据本专利技术的第三个方面，提供一种偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备装置，使用上述的微纳波导或者采用上述的基于微纳波导的偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0017]本实施例提供的微纳波导及偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法，通过优化设计截面结构可以调整波导的色散关系，控制双光子在偏振维度的纠缠程度，优化自发参量下转化SPDC过程的产生效率，实现一定宽带的信号光与闲置光光谱。
[0018]本实施例提供的微纳波导及偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法，可以产生在能量
‑
时间维度具有纠缠关系的双光子对，其联合不确定乘积满足Δ(ω
s
+ω
i
)
·
Δ(t
s
‑
t
i
)<1。
附图说明
[0019]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0020]图1为本专利技术一实施例中可产生超纠缠态双光子对的非线性直波导设计示意图以及能量守恒条件和动量守恒条件。
[0021]图2为本专利技术一优选实施例中产生超纠缠态双光子对的非线性直波导横截面结构以及对应的色散关系，该图针对不同的偏振态(o/e光)，分别给出了对应的有效折射率随波长的变化曲线。
[0022]图3为本专利技术一优选实施例中产生超纠缠态双光子对的非线性直波导在泵浦光(o光)波长为780nm时对应的模式电场分布。
[0023]图4为本专利技术一优选实施例中不同切割角θ及偏振态情况(o/e光)对应的SPDC过程
转化效率曲线。
[0024]图5为本专利技术一优选实施例中生成双光子对的联合谱幅度(JSA)。
具体实施方式
[0025]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微纳波导，其特征在于，包括一个由铌酸锂晶体膜制备成的非线性直波导，基于所述铌酸锂晶体膜的二阶非线性系数χ
(2)
，在所述直波导结构内发生自发参量下转换SPDC过程，一个泵浦光光子产生一个信号光光子和一个闲置光光子；产生的所述信号光光子和闲置光光子为超纠缠态双光子对，即在能量
‑
时间维度存在纠缠关系，同时在偏振维度也存在纠缠关系。2.根据权利要求1所述的一种微纳波导，其特征在于，通过优化所述非线性直波导横截面的结构改变所述直波导的色散关系，控制生成双光子对的偏振纠缠关系以及带宽分布。3.根据权利要求1所述的一种微纳波导，其特征在于，所述铌酸锂晶体膜为z
‑
cut铌酸锂薄膜，其底部设有SiO2层构成的衬底。4.根据权利要求3所述的一种微纳波导，其特征在于，所述铌酸锂晶体膜的厚度为d2＝0.6μm，宽度W＝2μm，刻蚀深度d1＝0.4μm，刻蚀角度θ＝75
°
，所述衬底厚度厚度d3＝2μm。5.一种基于微纳波导的偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法，其特征在于，泵浦光正入射至所述非线性直波导，入射的泵浦光频率ω
p
，发生自发参量下转换后生成信号光ω
s
和闲置光ω
i
；在所述转化过程中，进行波矢失配量补偿，使所述信号光和闲置光之间在偏振维度和能量
‑
时间维度同时存在纠缠关系，产生超纠缠态双光子对，并且具有一定的带宽分布。6.根据权利要求5所述的一种基于微纳波导的偏振和能量
‑
时间量子超纠缠态制备方法，其特征在于，在所述自发参量下转换过程中，满足能量守恒条件基于波导的色散关系，不满足动量守恒条件k
p
＝k
s
+k
i
，泵浦光和信号光、闲置光之间存在波矢失配量用单周期极化的方式，进行波矢失配量补偿，所述补偿的波矢失配量为k
pp
＝k<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洋河，何广强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：