光通信波段全光纖能量-時(shí)間糾纏雙光子源

  Yuting Liu, Junjie Xing, Zhiguang Xia, Run'ai Quan, Huibo Hong, Tao Liu, Shougang Zhang, Xiao Xiang, Ruifang Dong. All-fiber telecom band energy-time entangled biphoton source[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(3): 032701.

  量子糾纏光源

  量子糾纏光源是量子光學(xué)系統(tǒng)中的重要資源，在量子信息技術(shù)發(fā)展過(guò)程中扮演著不可或缺的角色。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過(guò)程是產(chǎn)生糾纏光子對(duì)最常見(jiàn)的方法，可以提供不同自由度的糾纏。其中，能量-時(shí)間糾纏在長(zhǎng)距離光纖傳輸時(shí)，因其頻率關(guān)聯(lián)特性對(duì)鏈路損耗和退相干效應(yīng)具有天然的魯棒性而受到越來(lái)越多的關(guān)注，光通信波段的能量-時(shí)間糾纏雙光子源已被應(yīng)用于多種基于光纖的量子通信和計(jì)量實(shí)驗(yàn)中。

  能量-時(shí)間糾纏雙光子源

  結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定的能量-時(shí)間糾纏雙光子源的產(chǎn)品化，對(duì)于量子信息技術(shù)從原理驗(yàn)證擴(kuò)展到長(zhǎng)距離實(shí)地光纖鏈路或網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。迄今為止，基于連續(xù)激光泵浦SPDC過(guò)程產(chǎn)生的能量-時(shí)間糾纏雙光子源得到了廣泛研究。然而，此前報(bào)道的能量-時(shí)間糾纏雙光子源除了質(zhì)量和體積大的缺點(diǎn)外，光子對(duì)的產(chǎn)生效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性也無(wú)法完全滿足長(zhǎng)距離實(shí)地應(yīng)用的要求。

  光通信波段全光纖能量-時(shí)間糾纏雙光子源

  中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心的董瑞芳研究員課題組在Chinese Optics Letters ，2023年第21卷第3期（Y. Liu, et al., All-fiber telecom-band energy-time entangled biphoton source）報(bào)道了一種基于全光纖結(jié)構(gòu)的光通信波段能量-時(shí)間糾纏雙光子源，并被選為當(dāng)期Editors’ Pick。

  為便于移動(dòng)搬運(yùn)，雙光子源整機(jī)重量減為 5 kg，所有物理元件集成在一個(gè)36 cm × 21 cm × 16.5 cm的機(jī)箱中，如圖1所示。該課題組測(cè)試了光子對(duì)的產(chǎn)生效率和純度與泵浦功率之間的關(guān)系，在800 μW泵浦光功率下的雙光子對(duì)產(chǎn)生率可高達(dá)6.9 MHz量級(jí)，同時(shí)有效符合與偶然符合比值（CAR）優(yōu)于1150。通過(guò)測(cè)量Hong-Ou-Mandel （HOM）干涉可見(jiàn)度和CAR在60 μW泵浦功率下的長(zhǎng)期性能，對(duì)雙光子源波長(zhǎng)和光子計(jì)數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。在連續(xù)運(yùn)行10小時(shí)內(nèi)，直接測(cè)量的HOM可見(jiàn)度維持在91.8±0.8%，CAR穩(wěn)定在10528.8±604.2水平。

圖1 全光纖能量-時(shí)間糾纏雙光子源：(a)原理圖；(b)實(shí)物圖；(c)不同泵浦光功率下的CAR以及雙光子對(duì)的產(chǎn)生率；(d) Hong–Ou–Mandel (HOM)干涉可見(jiàn)度的穩(wěn)定性測(cè)試

  此外，該雙光子源已成功應(yīng)用于100公里城市光纖鏈路上的量子時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)、量子非定域性測(cè)試和量子微波光子學(xué)研究。這種基于全光纖結(jié)構(gòu)的能量-時(shí)間糾纏雙光子源具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，將為各種現(xiàn)場(chǎng)交鑰匙量子通信和量子計(jì)量應(yīng)用提供方便可靠的雙光子資源。

  團(tuán)隊(duì)介紹

  中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心量子時(shí)間同步團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為董瑞芳研究員，曾入選中科院“BR計(jì)劃”、陜西省中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，曾榮獲陜西省青年科技獎(jiǎng)、中科院“巾幗建功”先進(jìn)個(gè)人，中科院“三八紅旗手”稱(chēng)號(hào)。團(tuán)隊(duì)固定職工7人，其中3人入選中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)。團(tuán)隊(duì)于2011年率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展量子時(shí)間同步研究，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了10飛秒級(jí)量子時(shí)間同步精度，完成了自由空間和城域光纖鏈路上亞皮秒精度量子時(shí)間同步應(yīng)用演示，推動(dòng)了量子時(shí)間同步從前瞻基礎(chǔ)研究到新興前沿技術(shù)的發(fā)展。量子時(shí)間同步研究團(tuán)隊(duì)近五年發(fā)表論文70余篇，出版專(zhuān)著《基于激光的高精度時(shí)間頻率傳遞和測(cè)距技術(shù)》，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利14件，獲陜西省科學(xué)院科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。先后獲國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)/重大研究計(jì)劃/面上/青年、中國(guó)科學(xué)院前沿重點(diǎn)等項(xiàng)目支持。