光通信波段全光纖能量-時間糾纏雙光子源

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

  能量-時間糾纏雙光子源

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

  光通信波段全光纖能量-時間糾纏雙光子源

  中國科學院國家授時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）報道了一種基于全光纖結(jié)構(gòu)的光通信波段能量-時間糾纏雙光子源，并被選為當期Editors’ Pick。

  為便于移動搬運，雙光子源整機重量減為 5 kg，所有物理元件集成在一個36 cm × 21 cm × 16.5 cm的機箱中，如圖1所示。該課題組測試了光子對的產(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產(chǎn)生率可高達6.9 MHz量級，同時有效符合與偶然符合比值（CAR）優(yōu)于1150。通過測量Hong-Ou-Mandel （HOM）干涉可見度和CAR在60 μW泵浦功率下的長期性能，對雙光子源波長和光子計數(shù)的穩(wěn)定性進行了評估。在連續(xù)運行10小時內(nèi)，直接測量的HOM可見度維持在91.8±0.8%，CAR穩(wěn)定在10528.8±604.2水平。

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

  此外，該雙光子源已成功應用于100公里城市光纖鏈路上的量子時間同步實驗、量子非定域性測試和量子微波光子學研究。這種基于全光纖結(jié)構(gòu)的能量-時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，將為各種現(xiàn)場交鑰匙量子通信和量子計量應用提供方便可靠的雙光子資源。

  團隊介紹

  中國科學院國家授時中心量子時間同步團隊負責人為董瑞芳研究員，曾入選中科院“BR計劃”、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、中科院“巾幗建功”先進個人，中科院“三八紅旗手”稱號。團隊固定職工7人，其中3人入選中國科學院青年創(chuàng)新促進會。團隊于2011年率先在國內(nèi)開展量子時間同步研究，在國際上首次實現(xiàn)了10飛秒級量子時間同步精度，完成了自由空間和城域光纖鏈路上亞皮秒精度量子時間同步應用演示，推動了量子時間同步從前瞻基礎(chǔ)研究到新興前沿技術(shù)的發(fā)展。量子時間同步研究團隊近五年發(fā)表論文70余篇，出版專著《基于激光的高精度時間頻率傳遞和測距技術(shù)》，授權(quán)國家發(fā)明專利14件，獲陜西省科學院科學技術(shù)一等獎。先后獲國家自然科學基金重點/重大研究計劃/面上/青年、中國科學院前沿重點等項目支持。