在本文中淤年，我們對(duì)Aurea Technology出品的TPS1550光子源的偏振糾纏進(jìn)行驗(yàn)證钧敞，我們搭建了一套實(shí)驗(yàn)光路蜡豹，利用Aurea出品的單光子探測(cè)器與Swabian的1ps時(shí)間分辨率計(jì)數(shù)器，成功驗(yàn)證了其糾纏性溉苛，其對(duì)比度高達(dá)98%镜廉。
光子源偏振糾纏驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
1900年，普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難愚战，引入了能量子概念娇唯，為量子理論奠下了基石。隨后寂玲，愛因斯坦針對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典理論的矛盾塔插，提出了光量子假說，并在固體比熱問題上成功地運(yùn)用了能量子概念拓哟，為量子理論的發(fā)展打開了局面想许。1913年，玻爾在盧瑟福有核模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用量子化概念断序，對(duì)氫光譜作出了滿意的解釋流纹，使量子論取得了初步勝利。從1900年到1913年违诗，可以稱為量子論的早期漱凝。以后，玻爾诸迟、索末菲和其他許多物理學(xué)家為發(fā)展量子理論花了很大力氣茸炒，卻遇到了嚴(yán)重困難。要從根本上解決問題亮蒋，只有待于新的思想扣典，那就是“波粒二象性”。光的波粒二象性早在1905年和1916年就已由愛因斯坦提出慎玖，并于1916年和1923年先后得到密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和康普頓X射線散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)贮尖，而物質(zhì)粒子的波粒二象性卻是晚至1923年才由德布羅意提出。這以后經(jīng)過海森堡趁怔，薛定諤湿硝、玻恩和狄拉克等人的開創(chuàng)性工作，終于在1925年到1928年才形成完整的量子力學(xué)理論润努，與愛因斯坦相對(duì)論并肩形成現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論支柱关斜。
但針對(duì)于量子力學(xué)的完備性問題，愛因斯坦與波爾進(jìn)行了十分長(zhǎng)久的爭(zhēng)論铺浇。1935年痢畜，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了EPR佯謬。定域?qū)嵲谡摰奶岢龆∠。尡姸嗫茖W(xué)家爭(zhēng)論了數(shù)十年吼拥。1964年，貝爾不等式的提出线衫，將這一理論上的問題轉(zhuǎn)換到了實(shí)驗(yàn)中可驗(yàn)證的領(lǐng)域凿可。引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。為了驗(yàn)證貝爾不等式的正確性授账，眾多科學(xué)家用不同的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)枯跑，其中阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤白热、安東·塞林格三人貢獻(xiàn)zui為突出敛助，因此獲得了于2022年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰對(duì)糾纏光子實(shí)驗(yàn)棘捣、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)方面所做出的貢獻(xiàn)辜腺。
為了驗(yàn)證貝爾不等式，人們漸漸的將目光轉(zhuǎn)向了如何產(chǎn)生糾纏光子對(duì)這個(gè)問題上乍恐，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展评疗，目前主要產(chǎn)生糾纏光子的方法主要有自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換與自發(fā)四波混頻等。此處我們主要介紹自發(fā)參量下轉(zhuǎn)化茵烈。
自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程百匆，指的是一束高頻光（泵浦光，pump）入射到非線性晶體上呜投，產(chǎn)生兩束低頻光的現(xiàn)象加匈，這兩束低頻光分別稱為信號(hào)光(signal)和閑置光(idler)。當(dāng)信號(hào)光和閑置光初始均處于真空態(tài)時(shí)仑荐，則稱為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)雕拼。
一般要求參量下轉(zhuǎn)換過程滿足所謂的位相匹配條件，即能量守恒條件和動(dòng)量 守恒條件粘招。我們用下標(biāo)p啥寇、s、i分別表示泵浦光(pump)洒扎，信號(hào)光(signal)辑甜、閑置光(idler)，則能量守恒條件和動(dòng)量守恒條件分別為:
其中袍冷，w表示頻率磷醋，k表示波矢量。
描述非簡(jiǎn)并參量下轉(zhuǎn)換過程的相互作用哈密頓量為:
其中胡诗，χ(2)是二階非線性極化率邓线；
和
分別表示k光的光子產(chǎn)生和湮滅算符淌友。
一般來說，泵浦場(chǎng)較強(qiáng)褂痰，可作經(jīng)典描述(稱為參量近似),于是上式變?yōu)椋?/p>
其中亩进，η∝χ(2)Ep症虑，Ep為泵浦光的振幅缩歪。
實(shí)際上，非簡(jiǎn)并自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程還分為兩類谍憔。在第1類中匪蝙，信號(hào)光和閑置光的偏振方向相同，且均與泵浦光的偏振方向垂直习贫。在第二類中逛球，信號(hào)光和閑置光的偏振方向垂直。下面分別予以討論苫昌。
在第1類SPDC中颤绕，信號(hào)光和閑置光的偏振方向相同，其相互作用哈密頓量可由式(4)表示祟身。由于位相匹配條件的要求奥务，信號(hào)光和閑置光的傳播方向分別位 于以泵浦光傳播方向?yàn)檩S的同心圓錐的不同兩側(cè)（在非簡(jiǎn)并情況下，信號(hào)光和閑置光位于不同圓錐袜硫；在簡(jiǎn)并情況下氯葬，信號(hào)光和閑置光位于相同圓錐），如圖1和圖2所示婉陷。
圖1 第1類 SPDC光束示意圖
顯然帚称，在滿足位相匹配條件的要求下，有無窮多種方式選擇信號(hào)光和閑置光的傳播方向秽澳，幾種光束截面闯睹，如圖2所示。
(a)光束截面(相同符號(hào)表示滿足位相匹配條件的共軛光子担神，中間圓上的兩個(gè)光子的頻率是簡(jiǎn)并的)
(b)位相匹配條件
圖2 第1類SPDC 光束截面和位相匹配條件示意圖
設(shè)信號(hào)光和閑置光初始處于狀態(tài)
楼吃，則t時(shí)刻的狀態(tài)為：
將指數(shù)展開，并取到
項(xiàng)杏瞻，得：
設(shè)
將其與式(4)代入式(6)可得：
其中所刀，μ=ηt，上式中略去了含
的項(xiàng)捞挥。
上式是真空態(tài)和單光子態(tài)的糾纏態(tài)浮创，可見利用第1類SPDC，可制備光子數(shù)態(tài)的糾纏態(tài)砌函。
在第二類SPDC中斩披，信號(hào)光和閑置光的偏振方向垂直溜族。由于雙折射效應(yīng)，信號(hào)光和閑置光將沿不同心的圓錐傳播垦沉，其中一束為正常波（o波）煌抒，一束為異常波（e波），如圖3所示厕倍。在圓錐截面的重疊處寡壮，信號(hào)光子和閑置光子處于偏振糾纏態(tài)，如圖4所示讹弯。
圖3 第二類SPDC光束示意圖
圖4 第二類SPDC光束截面示意圖
我們用H和V分別表示水平偏振和垂直偏振况既，則在參量近似下，描述第二類SPDC的相互作用哈密頓量為：
其中组民，
與
分別表示產(chǎn)生H和V偏振的k模光子的光子產(chǎn)生算符棒仍。
下面討論量子態(tài)的時(shí)間演化，對(duì)第二類SPDC臭胜，式(5)和式(6)的形式仍然成立莫其，不過要用式(8)的哈密頓量，信號(hào)光和閑置光的初態(tài)
也要作相應(yīng)變化耸三。設(shè)
乱陡，則利用式(6)和式(8)可得：
定義如下的偏振真空態(tài)和偏振單光子態(tài)，即：
則式(9)可寫為：
其中吕晌，第二項(xiàng)歸一化后的形式為：
這是zui大糾纏的偏振糾纏態(tài)蛋褥。可見睛驳，利用第二類SPDC烙心，可制備單光子偏振糾纏態(tài)，或者說乏沸，可以產(chǎn)生偏振糾纏的光子對(duì)淫茵。
圖5 糾纏光子源TPS 1550
昊量光電du家代理的獨(dú)立量子糾纏光子源TPS 1550，由法國(guó)Aurea公司推出蹬跃。這是一臺(tái)高性能匙瘪、緊湊且易于使用的獨(dú)立雙光子源，該糾纏源基于臺(tái)式設(shè)計(jì)蝶缀，將溫度可調(diào)的ppln波導(dǎo)晶體與波長(zhǎng)穩(wěn)定的激光源結(jié)合在一起丹喻，可在室溫下使用。其僅用5mW的泵浦功率翁都，在C波段產(chǎn)生正交偏振的頻率糾纏光子碍论，光子數(shù)超過250000光子/秒。其在周期性極化鈮酸鋰ppln波導(dǎo)(準(zhǔn)相位匹配-QPM)中柄慰，通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)鳍悠，是量子信息技術(shù)的理想選擇税娜。通過USB接口和專有軟件接口控制激光泵浦功率和晶體內(nèi)部溫度，以高精度調(diào)整相位匹配藏研。我們同時(shí)還提供DLL文件以方便您使用LabVIEW敬矩，C++，Visual basic等語言進(jìn)行控制或二次開發(fā)蠢挡。本次實(shí)驗(yàn)我們將驗(yàn)證其偏振性弧岳。
除了必要的光子源，我們還需要單光子探測(cè)器與高性能計(jì)數(shù)器袒哥。我們本次使用的是同樣由該公司推出的NIR單光子探測(cè)器模塊OEM缩筛，以及由Swabian公司推出的時(shí)間相關(guān)計(jì)數(shù)器 TimeTagger。
NIR單光子探測(cè)器模塊OEM為900 nm至1700 nm近紅外波段的單光子探測(cè)帶來了重大突破堡称。其基于冷卻InGaAs/InP 蓋革模式單光子雪崩光電二極管技術(shù)，可執(zhí)行“門控”(GM)和“自由運(yùn)行”(FR)探測(cè)模式艺演。針對(duì)您的需求却紧，該單光子探測(cè)器提供了標(biāo)準(zhǔn)版與guan軍版兩個(gè)版本。guan軍版具有低至800 cps的超低噪聲胎撤、高達(dá)30 %的高校準(zhǔn)量子效率晓殊、100 nszui小死時(shí)間、100 MHz外部觸發(fā)器伤提、150 ps的快速分辨率和極低脈沖巫俺。標(biāo)準(zhǔn)級(jí)提供了非常有價(jià)值和成本效益的解決方案。SPD_OEM_NIR設(shè)計(jì)精良肿男，結(jié)構(gòu)緊湊介汹，接口先jin，使用遠(yuǎn)程控制軟件舶沛，提供Python嘹承、C++、LabVIEW的DLL如庭，非常容易集成到要求苛刻的分析儀器和量子系統(tǒng)中叹卷。時(shí)間相關(guān)計(jì)數(shù)器 TimeTagger全系列分辨率為1ps，抖動(dòng)zui低可達(dá)2ps坪它，死時(shí)間可達(dá)1.5ns骤竹，zui多支持18通道，是您進(jìn)行量子光學(xué)往毡、激光雷達(dá)蒙揣、熒光壽命成像、單光子源表征等領(lǐng)域的得力幫手卖擅。
圖6 單光子探測(cè)器模塊
圖7 時(shí)間相關(guān)計(jì)數(shù)器 Time Tagger Ultra
糾纏源鸣奔、探測(cè)器與計(jì)數(shù)器的頁面如下圖所示墨技。糾纏源可通過儀器自帶的觸摸屏進(jìn)行衰減、晶體溫度挎狸、開關(guān)等設(shè)置扣汪，操作簡(jiǎn)便。也可通過usb線連接至PC锨匆，在PC端進(jìn)行設(shè)置崭别。單光子探測(cè)器可實(shí)時(shí)觀察到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度與探測(cè)值，并可簡(jiǎn)便修改Count rate恐锣、dead time茅主、效率、探測(cè)模式等土榴，我們還可以設(shè)置輸出信號(hào)參數(shù)形式诀姚，以數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)玷禽、NIM進(jìn)行輸出赫段。我們選擇輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器中有眾多預(yù)設(shè)矢赁，如“Counter time trace”糯笙、“Bidirectional Histogram”、“Logarithmic Histogram”等撩银，可供不同應(yīng)用需求進(jìn)行選擇给涕。我們選用“Bidirectional Histogram”模式，并可對(duì)Bin寬额获，Bin數(shù)與采集方式等進(jìn)行修改够庙。
圖8 糾纏源設(shè)置屏幕
圖9 探測(cè)器軟件界面
圖10 計(jì)數(shù)器軟件界面
本次實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)置光子源的衰減為5dB，探測(cè)器死時(shí)間為20μs咪啡，計(jì)數(shù)器Bin寬為500ps首启，本次實(shí)驗(yàn)還需要1550nm激光器，1550nm準(zhǔn)直器撤摸，偏振片毅桃，半波片與四分之一波片等。利用這些器材准夷，我們就可以著手開始驗(yàn)證其產(chǎn)生光子對(duì)的偏振糾纏性钥飞。
圖11 驗(yàn)證光路示意圖
圖12 實(shí)際光路
我們搭建了如圖所示的光路，我們首先使用可見光源與功率計(jì)將準(zhǔn)直器對(duì)準(zhǔn)衫嵌。然后更換為1550nm偏振光源與功率計(jì)读宙，分步加入偏振片、半波片與四分之一波片并調(diào)整角度楔绞，zui后更換為光子源结闸，單光子探測(cè)器與計(jì)數(shù)器唇兑，光子源的信號(hào)光與閑置光將分別經(jīng)過光纖，通過四分之一波片桦锄、半波片與偏振片扎附，zui后由探測(cè)器探測(cè)，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行符合结耀。我們保持光路光路其他波片固定留夜，通過轉(zhuǎn)動(dòng)其中一個(gè)半波片并固定，我們可以在計(jì)數(shù)器中看到符合計(jì)數(shù)產(chǎn)生了變化图甜。隨著半波片的旋轉(zhuǎn)碍粥，符合計(jì)數(shù)也隨之發(fā)生正弦變化。
本次實(shí)驗(yàn)中黑毅，我們每次將旋轉(zhuǎn)半波片5度嚼摩，固定后在計(jì)數(shù)器中采集10s，我們將在此角度得到一個(gè)符合計(jì)數(shù)博肋，再旋轉(zhuǎn)半波片5度低斋，重復(fù)上述步驟，我們可得到半波片不同角度下的符合計(jì)數(shù)匪凡。將符合計(jì)數(shù)記錄后進(jìn)行擬合，具體可見圖掘猿，其中藍(lán)色線為可得到一正弦變化的曲線病游，其中散點(diǎn)為測(cè)試所得數(shù)據(jù)，黃色線為擬合正弦曲線稠通。我們可以看出衬衬，所得數(shù)據(jù)點(diǎn)非常符合正弦曲線趨勢(shì)。zui高值與zui低值相差為45°改橘，其中zui高值為818滋尉，zui低值為14，對(duì)比度約為98.2%飞主，超過95%狮惜，證明了其偏振糾纏性。
圖13 符合計(jì)數(shù)隨角度呈正弦變化
通過本次實(shí)驗(yàn)碌识，我們使用了1550nm波長(zhǎng)的相關(guān)光學(xué)器件碾篡、Aurea的單光子探測(cè)器與Swabian的1ps時(shí)間分辨率計(jì)數(shù)器，計(jì)算出TPS1550單光子糾纏源的對(duì)比度可達(dá)98.2%筏餐，證明了其偏振糾纏性开泽。
如果您對(duì)糾纏源/單光子源有興趣，請(qǐng)?jiān)L問上海昊量光電的官方網(wǎng)頁：
http://www.wjjzl.com/three-level-252.html
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