PDF《利用光纤中自发四波混频产生纠缠光子的实验装置 ！》

利用光纤中自发四波混频产生纠缠光子的实验装置! 杨磊李小英! 王宝善 (天津大学精密仪器与光电子工程学院, 光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 ###$%) (%##$ 年&

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%##( 年%月%( 日收到修改稿) 基于三阶非线性 )*++ 效应在光纤中产生非线性现象的理论, 利用零色散位移光纤中的自发四波混频通过两种 实验装置产生了纠缠光子: 一种是采用脉冲光抽运由光纤构成的 ,-.

/-0 光纤环;

另一种是采用脉冲光直接抽运一 段光纤1通过对不同装置下实验结果的比较, 总结了产生高纯度纠缠光子所需的实验条件, 并指出了两种装置各自 的优缺点1这为研制适用于量子通信的全光纤纠缠光源和单光子源奠定了基础1 关键词:纠缠光子,光纤,四波混频,量子通信 ! ##:2%3#,# '

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3) !教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号: 45678#'

8#% () 、 国家自然科学基金 (批准号: '

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) 、 教育部科学技术研究计划重点项目 (批准号: &

#$#%$) 、 国家重点基础研究发展规划 (批准号: %##

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2:#2) 和国家高技术研究发展计划 (批准号: 22$) 资助的课题1 ! 68=->

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H 引言纠缠光子不仅能够用来检验量子力学基本定 律, 还是实现量子信息处理的必要工具1基于晶体二 阶非线性电极化效应的自发辐射光学参量下转换过 程是产生纠缠光子的一种很常用的方法 [&

― ] , 目前 所完成的大多数量子通信实验 (如量子离物传态和 量子密集编码等 [2, 3] ) 都是利用这种纠缠光子完成 的1然而, 由于模式匹配的原因, 在将这种纠缠光子 高效地耦合进光纤进行存储、 操纵及传输时, 工程上 实现起来非常困难 ['

] 1近年来, 利用基于光纤的 )*++ 三阶非线性电极化效应的四波混频参量作用过程产 生纠缠光子对已引起了人们广泛的关注1 与基于二 阶非线性电极化晶体中参量下转换过程的纠缠光源 相比, 基于光纤三阶非线性电极化的纠缠光源有以 下优点: 纠缠光子的模为光纤的波导模式, 通常为纯 净的高斯模, 便于进一步研究多个纠缠的相互作用 和多光子量子通信1由于光纤的波导特性, 作用长度 可以很长, 而且光纤具有传输损耗低的优点, 因此总 的非线性效应比较强1 光纤与光纤之间的耦合不仅 易于实现而且效率非常高, 有利于增加量子通信的 距离1 %##% 年, I>

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/A 等[$] 首次利用零色散位移光 纤(J,I) 中的自发四波混频 (KLA/D-/*AFK MAF+8N-O* =>

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/.) 参量作用过程产生了量子关联的光子对1 P>

等[(] 在J,I 中产生了偏振纠缠的光子对, 得到了四 个9*?? 态, 并验证了 9*?? 不等式被违背1 此外, 文献 [&

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] 还进行了利用标准光纤存贮光子及将纠缠 光子在光纤长距离传输后无明显消相干现象的实 验[:, &

#] , 显示了基于光纤的纠缠光子在研究量子逻 辑门和实现远距离量子通信中的潜在优越性1 除了 J,I [$―&

%] 外, 其他类型的光纤 (如高非线性 光纤 和微结构光纤等) 也可以用来产生纠缠光子[&

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2] 1而且利用光纤产生纠缠光子的装置也是多 种多样的1如文献 [(] 先利用偏振垂直、 有一定延时 的两个脉冲光抽运 ,-./-0 光纤环, 光纤环的输出再 经过一个特制的双折射元件以消除两个抽运光产生 的参量作用过程中的时间可区分性, 通过相干叠加 而产生偏振纠缠1文献 [&

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%] 中的偏振纠缠是由一 段光纤和偏振分束器构成的光纤环产生的, 利用偏 振分束器将一个脉冲分为两个偏振垂直的脉冲光, 从不同的方向抽运一段光纤, 再利用偏振分束器使 两个参量作用过程相干叠加而产生偏振纠缠1 文献 [&

3] 则先采用双折射元件将一个脉冲抽运光分离为 偏振垂直、 有一定延时的两个抽运脉冲抽运一段光 纤, 利用光纤的另一端的 I-+-G-B 反向镜将两个抽运 光和参量作用过程反射并使其偏振旋转 :#Q之后, 利 用同一双折射元件自动消除两个互相垂直参量作用 过程的时间可区分性, 从而得到偏振纠缠1 而文献 第3$ 卷第(期%##( 年(月&

###8 %:#R%##(R3$ (#() R2: 8#( 物理学报;

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/1SXBK1 ,A01 [! ] 则采用了偏振分束器和 #$%&

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环构成的双环结 构来产生偏振纠缠(仔细分析这些装置可以发现, 其 实它们都可以从两种典型装置变形而来: 一种是抽 运#$%&

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光纤环, 另一种是直接抽运一段光纤( 本文首先从理论上分析了脉冲光抽运光纤时, 基于三阶非线性电极化效应的自发四波混频、 拉曼 散射和自相位调制等非线性现象及特性, 利用上述 两种典型实验装置产生量子关联光子对, 然后比较 和分析了实验结果, 总结了产生高纯度纠缠光子所 需的实验条件以及不同装置各自的优缺点( 本文的 研究结果对于研制适用于量子信息处理的全光纤纠 缠光源和单光子源有重要的指导意义( )* 理论背景 由于 #+,) 分子的各向同性, 光纤中的最低阶非 线性效应通常为三阶电极化率 [!-] ! (.) (! (.) 的数学表 达式分为实部和虚部两部分( 实部源于束缚电子的 非简谐振动, 能够引起非线性折射率, 当相位匹配条 件满足时, 可产生四波混频;

虚部与光纤材料分子的 振动和转动有关, 能够引起布里渊散射和拉曼散射, 当输入光纤的抽运光为脉冲光时, 布里渊散射现象 可忽略( ! # 四波混频 四波混频过程中, 两个频率为 / 的抽运光子 通过

0122 非线性效应同时散射为频率分别是

3 和 + 的光子对, 通常称频率较抽运光上移的光子 + 为闲置光子, 而频率较抽运光下移的光子

3 为信 号光子(在此参量作用过程中, 能量和动量是守恒 的, 因此信号光子与闲置光子之间具有能量4时间纠 缠关系(当抽运脉冲的带宽! / 远小于其中心频率 / 时, 该四波混频过程可用简并四波混频过程近 似(当忽略光纤内的传输损耗时, 简并四波混频光波 相互作用的经典振幅耦合方程可以描述为 [!-] !/

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3 18/ (9 +!# ) ] ( (.) 这里 !/ , !3 和!+ 分别表示抽运光波、 信号光波和闲 置光波的振幅, 为光波的传播距离(非线性系数 #

5 ) #$) !1:: $/ , 式中 $)

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) 为非线性折射率, 其中%= 为真空介电常数, $/ 为抽 运光波的波长, !1:: 为光纤的有效模面积(波矢失配 !#

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9 )#/ , 其中 #/ ,#3 和#+ 分别表示抽运光波、 信号光波和闲 置光波的波矢( (!) ― (.) 式是在抽运光功率远大于 信号光和闲置光功率、 抽运光功率的消耗可忽略且 四个光波相互作用的群速度失配可忽略的情况下导 出的( 要得到显著的四波混频现象, 需要满足净波矢 失配为零的相位匹配条件, 即#5)#'

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