隨著量子計算的不斷發(fā)展，對于現(xiàn)代公鑰加密的威脅也逐漸明顯起來。而量子密鑰分發(fā)（QKD）是克服這一威脅的方法之一好港，通過允許在多方之間安全地共享加密密鑰愉镰，以抵御潛在的竊聽者和量子計算器的解密能力。其中點對點QKD網絡是更高ji量子網絡的前身钧汹，使量子態(tài)的傳輸能夠實現(xiàn)多種應用丈探，例如分布式量子計算、傳感或安全通信等拔莱。糾纏光子是此類應用的基本資源碗降，因此糾纏分發(fā)是高ji量子網絡計劃的關鍵組成部分。來自加州理工學院的Andrew Mueller及其團隊辨宠，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"的研究文章遗锣，介紹了他們開發(fā)的基于time-bin量子比特的高速率多路復用糾纏源，而這一成果為構建先jin的量子網絡提供了重要的基礎技術嗤形。
量子網絡中基于time-bin量子比特的高速率多路糾纏源
背景
高速率糾纏分布實現(xiàn)了基于高速率糾纏的QKD精偿，以及具有高ji量子網絡特征的更一般的操作，而這些在許多指標上都有令人印象深刻的表現(xiàn)赋兵。目前許多研究都強調需要利用高總量度笔咽、光譜亮度、收集效率和產生糾纏光子對的非線性晶體可見性霹期，以滿足實際高速率糾纏分布的需求叶组。
相對于基于偏振的系統(tǒng)相比，time-bin糾纏光子源具有相當的優(yōu)勢历造。Time-bin糾纏可以在沒有移動硬件的情況下進行測量甩十，并且不需要精確地偏振跟蹤來zui大化可見性。此外吭产，只要有合適的設備侣监，可以在有湍流的自由空間鏈路上實現(xiàn)穩(wěn)健的time-bin調整。因此臣淤，簡化的光纖到自由空間互連以及基于共享time-bin協(xié)議的更大量子網絡的可能性激發(fā)了改進time-bin的發(fā)展橄霉。Time-bin這種量子比特編碼形式也因為光纖中對抗退相干的魯棒性，zui適合于長距離傳輸邑蒋。
實驗裝置
在本文中姓蜂，通過將4.09-GHz的鎖模激光器的光通過80ps的延遲干涉儀（12.5-GHz自由光譜范圍）導入到非線性晶體中，以實現(xiàn)高速糾纏源医吊。新開發(fā)的低抖動差分超導納米線單光子探測器（SNSPDs）可以使time-bin量子比特解析為80ps寬的倉钱慢。波長復用被用來實現(xiàn)多個高可見度的通道配對，這些配對共同加起來形成了一個高符合率卿堂。每對配對可以被視為光子糾纏的獨立載體滩字，因此整個系統(tǒng)通過使用波長選擇性交換適用于靈活網格架構。每個通道的亮度和可見度被量化，作為泵浦功率麦箍、收集效率以及符合率的函數。在低平均光子數（$$μ_L=5.6×10^{-5}±9.0×10^{-6}$$）時8通道系統(tǒng)可見度可達到平均99.3%陶珠，而在較高功率時（$$μ_H=5.0×10^{-3}±3.0×10^{-4}$$）挟裂，演示時總符合率為3.55MHz，平均可見度為96.6%揍诽。
糾纏光子源部分
下圖展現(xiàn)了該實驗裝置诀蓉。來自鎖模激光器的脈沖光，中心波長為1539.47nm暑脆，通過一個80ps延遲線干涉儀（Optoplex DPSK相位解調器）渠啤。源干涉儀每個時鐘周期產生兩個脈沖，用于編碼early/late的基礎狀態(tài)（|e?, |l?）添吗，隨后由一個二次諧波生成（SHG）模塊上轉換沥曹，并通過一個type-0的自發(fā)參量下轉換（SPDC）模塊（Covesion），由下轉換產生糾纏光子對碟联。SPDC模塊是一個耦合進入的25px氧化鎂摻雜鈮酸鋰（MgO:ppln）波導妓美，具有18.3μm周期。上轉換的脈沖在769nm處具有243 GHz（0.48nm）的全寬半高帶寬鲤孵，這連同SPDC波導的相位匹配條件壶栋，定義了一個寬的聯(lián)合光譜強度（JSI）函數。
鎖模激光器（Pritel UOC）的脈沖通過80ps延遲線干涉儀分成兩束普监，然后在二次諧波生成+摻鉺光纖放大器（SHG + EDFA）模塊（Pritel）中進行上轉換和放大贵试。來自SHG模塊的短PM光纖連接到一個非線性晶體（Mgo:PPLN），通過自發(fā)參量下轉換（SPDC）生成光子對凯正。粗波分復用（CWDM）模塊將光子對的光譜分離成8個13nm寬的波段毙玻，分別圍繞1530和1550nm，對應于信號和閑置光子漆际。信號和閑置光子分別被引導到Bob和Alice站點盗胀。讀出干涉儀引入與源干涉儀相同的時間延遲陌僵。使用偏振控制器來zui大化符合率，因為每個SNSPD的檢測效率對偏振敏感（±10%）。糾纏可見度不受讀出偏振的影響掏颊。如果未來的系統(tǒng)采用對偏振不敏感的SNSPDs，偏振控制器可以被移除迄损。使用100GHz間隔的密集波分復用器（DWDM）模塊將每個頻率通道引導到不同的光纖中省有。使用兩個超導納米線單光子探測器（SNSPDs）來測量特定的頻率復用通道對。為了解析整個系統(tǒng)的性能贯涎，依次進行不同復用通道的測量听哭。
光譜復用和探測部分
產生的光子對通過一個粗波分復用器（CWDM）分離，該復用器的作用是將SPDC光譜分成寬帶寬的兩半。對于在Alice和Bob使用超過16個密集波分復用器（DWDM）通道的系統(tǒng)陆盘，CWDM將替換成一個分束器普筹，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隘马。糾纏的閑置和信號光子分別被發(fā)送到標記為Alice和Bob的接收站太防。每個站點的一個讀出干涉儀將所有光譜帶投影到一個復合的時間-相位基礎上。從這里開始酸员，DWDM將能量-時間糾纏的光子對分成光譜通道蜒车。使用100GHz間隔的密集波分復用器（DWDM）模塊將每個頻率通道引導到不同的光纖中。實驗中采用兩個超導納米線單光子探測器（SNSPDs）進行光子到達時間的測量幔嗦，并分辨通過多路復用技術產生的多個高可見度通道對酿愧。
在實驗中使用的ITU信道。用相同顏色突出顯示的信道對遵守SPDC的相位和泵浦能量匹配條件邀泉。為了評估Alice的DWDM復用器的全部16個信道（27-42）嬉挡，Bob的8通道DWDM被替換為具有可調諧諧振頻率的窄帶濾波器（圖中未顯示）。
PPLN的作用
在量子通信和光子學領域內呼渣，非線性光學晶體起到了至關重要的作用棘伴。在這項研究中，量子通信依賴于量子糾纏態(tài)的生成和分發(fā)屁置，而使用Covesion的PPLN晶體（周期極化鈮酸鋰晶體）焊夸，通過非線性光學效應——自發(fā)參量下轉換（SPDC）產生糾纏光子對，而這些光子對是實現(xiàn)QKD和量子網絡的基礎蓝角。Covesion的PPLN晶體憑借其高非線性系數和精確地極化周期阱穗，實現(xiàn)了高效率的光子對產生，這將提高量子通信系統(tǒng)的速率使鹅。采取的光纖耦合輸入/輸出的波導系列WGP-1540-40/WGCO-1540-40也兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及快速集成揪阶。
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