基于多量子干涉的无条件偏振纠缠光子产生光子系统

我们提出了一种高性能光子系统，该系统利用多量子干涉效应，以高发射速率和大宽带分布产生偏振纠缠、简并且无需后选择的光子。我们的方法采用多级逆向Hong-Ou-Mandel干涉过程，高效生成偏振纠缠光子，并可靠地将简并光子对分离至不同的光学模式，无需后选择。首先，打开激光二极管，并将功率设置为几毫瓦。

将全息光栅以相对于激光二极管表面约45度的角度放置，并调整角度直至光束强度看起来达到最大。接下来，将激光器耦合到保偏光纤。将光纤引至功率计，并调节耦合器螺丝以最大化输出功率。

将激光通过自由空间隔离器，然后在光束路径中放置适用于405纳米光的半波片和四分之一波片。调节波片的角度以实现所需的光束偏振态。

接下来，将一个短通二向色镜和一个偏振分光立方体置于光路中。使用普通的反射镜将反射的s偏振光束引导至与透射的p偏振光束平行。将一块零型ppKTP晶体放置在温控平台上，并安装在光路中。

调整平台，直至分束光通过晶体。然后调节分束器和反射镜，使s偏振光和p偏振光在数米范围内保持平行。此调节过程需同时使用405纳米泵浦激光器和810纳米参考激光器。

接下来，在 ppKTP 晶体两侧垂直于入射光的方向安装一个双波长半波片。提前将位于分束器与晶体之间的半波片角度设置为 22.5 度，另一个半波片设置为 45 度。然后，在光路末端放置一个回射反射镜，使下转换光束重新通过 ppKTP 晶体和 22.5 度的半波片返回。

将45度半波片放置到位，使得只有从分束器反射的入射光束和从另一侧输出的出射光束穿过该波片。确保两个出射光束都被导入分束器，以产生顺时针和逆时针方向的光子束。将CCD相机光束分析仪与输出的光子束串联放置。

调节反射镜和回射器，使顺时针和逆时针的光束对处于相同的空间模式。然后，在四分之一波片和二向色镜之间安装一个焦距为300毫米的透镜。调整透镜位置，使泵浦激光束的焦点位于ppKTP晶体中第二光子下转换产生位置附近。

移除光束分析仪，在每束输出光路中依次放置四分之一波片、金属线栅偏振片和干涉滤光片。使用准直透镜将光束耦合到多模光纤中。在每个四分之一波片前放置焦距为300毫米的透镜，并将输出光束聚焦到准直透镜上。

然后，将多模光纤连接至使用硅雪崩光电二极管的单光子计数模块。待装置完全组装完毕后，关闭参考激光器，并重新连接二极管激光器。关闭室内灯光，并屏蔽所有外部光线。

然后，打开计数模块，对下转换光子进行计数。接着，调节 ppKTP 晶体的温度以及 45 度半波片的倾斜角度，以提高下转换光子的计数率。重复进行测量和调节，直至计数率达到最大。

测量前，调节四分之一波片和输出光束的偏振器角度，以获得测量所需的偏振基。然后，将经二向色镜反射的输出光束的单光子计数模块连接到时间-幅度转换器的启动信号输入端。通过电延迟线将另一束光连接到停止信号输入端。

将延迟时间设置为50纳秒，显示时间范围设置为100纳秒。打开仪器软件，设置测量时间为30秒，然后开始测量。测量结束后，记录脉冲高度分布。

使用多种偏振基组合重复测量，并根据计数模块的时间分辨率确定符合时间窗口。对于每次测量，在符合时间窗口内对峰下面积进行积分，以估算符合计数。计算保真度和贝尔参数，以确认系统正在产生偏振纠缠光子。

对六种偏振基组合的符合探测测量结果的分析证实，该系统能够产生并探测偏振纠缠光子。纠缠保真度为0.85，超过了经典局域关联极限0.5。来自各偏振基组的关联值均超过经典参数极限2，违反了贝尔不等式。

我们的方法能够在保持零型自发参量下转换的大带宽和高效率的同时，实现无需后选择的简并光子对分离，将其分配至表征二型自发参量下转换的不同光学模式中。利用多种量子干涉过程的这一方法，对于通过自发参量下转换的受激辐射应用纠缠光子也具有重要意义。由于本方案结构简单，我们可通过优化脉冲激光泵浦以及非线性晶体中的波导结构，进一步提高偏振纠缠光子的产生效率。

通过改变晶体的极化周期，我们还可以在理论波长波段内产生光子。由于零型自发参量下转换具有较大的带宽，该技术使单位泵浦功率下的光子对总产生率提高了两到三个数量级。具有大带宽的关联光子对可实现极短的符合时间，因此在量子光学相干层析成像及其他众多应用中受到了广泛关注。