基于time-bin量子比特的高速率多路糾纏源

PPLN晶體應用

隨著量子計算的不斷發展，對于現代公鑰加密的威脅也逐漸明顯起來。而量子密鑰分發（QKD）是克服這一威脅的方法之一，通過允許在多方之間安全地共享加密密鑰，以抵御潛在的竊聽者和量子計算器的解密能力。糾纏光子是此類應用的基本資源，因此糾纏分發是新興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，在《Optica》期刊上發表了一篇題為"High-rate multiplexed entanglement source based on time-bin qubits for advanced quantum networks"的研究文章，介紹了他們開發的基于time-bin量子比特（qubits）的高速率多路復用糾纏源，而這一成果為構建前沿的量子網絡提供了重要的基礎技術。

Time-bin糾纏光子簡介

以光子的不同時間模式編碼的量子信息稱為time-bin量子比特。在這類量子比特中，光子被編碼到較早或者較晚到達的時間里，也就是說time-bin量子比特是光子到達時刻的相干疊加，描述一個光子處于兩個時間單位的概率幅。

相對于基于偏振的系統相比，time-bin糾纏光子源具有相當的優勢。在時間模式中，相對的相位是穩定的，因此在遠距離的傳輸中不會發生嚴重的退相干。自由空間中用于傳輸的偏振態對于光纖中的雙折射和散射十分敏感，而Time-bin這種量子比特編碼形式憑借其在光纖中對抗退相干的魯棒性，最適合于長距離傳輸。非等臂干涉儀是產生 Time-bin 量子比特的一種常用方法。

Time-bin編碼的概念，利用單光子。光路用紅線標出。光學元件:BS -分束器，M -反射鏡，φ-長程總相位變化。取自Misiaszek-Schreyner, Marta. "Applications of single-photon technology." arxiv preprint arxiv:2205.10221 (2022).

實驗內容

在本文中，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，以實現高速糾纏源。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bin。而波長復用被用來實現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。在低平均光子數（μL=5.6×10-5±9.0×10-6）時8通道系統可見度可達到平均99.3%，而在較高功率時（μH=5.0×10-3±3.0×10-4），演示時總符合率為3.55MHz，平均可見度為96.6%。裝置具體分為糾纏光子源以及光譜復用以及探測部分。

糾纏光子源

下圖展現了該實驗裝置。來自鎖模激光器的脈沖光，中心波長為1539.47nm，通過一個80ps延遲線干涉儀。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（|e?, |l?），隨后由一個二次諧波生成（SHG）模塊上轉換，并通過一個type-0的自發參量下轉換（SPDC）模塊（Covesion），由下轉換產生糾纏光子對。SPDC模塊是一個光纖耦合進入的1cm氧化鎂摻雜鈮酸鋰（MgO:PPLN）波導，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。

鎖模激光器（Pritel UOC）的脈沖通過80ps延遲線干涉儀分成兩束，然后在二次諧波生成+摻鉺光纖放大器（SHG + EDFA）模塊中進行上轉換和放大。來自SHG模塊的短PM光纖連接到一個非線性晶體（Mgo:PPLN），通過自發參量下轉換（SPDC）生成光子對。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，分別圍繞1530和1550nm，對應于信號和閑置光子。信號和閑置光子分別被引導到Bob和Alice站點。

光譜復用和探測

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，CWDM將替換成一個分束器，該分束器有效地將1540nm以下的完整SPDC光譜發送給Bob，將1540nm以上的光譜發送給Alice。PPLN產生的糾纏閑置和信號光子分別被發送到標記為Alice和Bob的接收站。每個接收站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。在這里，DWDM將能量-時間糾纏的光子對分成光譜通道。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，并分辨通過多路復用技術產生的多個高可見度通道對。

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。為了評估Alice的DWDM復用器的全部16個信道（27-42），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

高速率糾纏分布實現了基于高速率糾纏的QKD，以及具有前沿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。目前許多研究都強調需要利用高總量度、光譜亮度、收集效率和產生糾纏光子對的高可見性，而通過非線性晶體可以滿足實際高速率糾纏分布的需求。

在量子通信和光子學領域內，非線性光學晶體起到了至關重要的作用。在這項研究中，量子通信依賴于量子糾纏態的生成和分發，而使用Covesion的PPLN晶體（周期極化鈮酸鋰晶體），通過非線性光學效應——自發參量下轉換（SPDC）產生糾纏光子對，而這些光子對是實現QKD和量子網絡的基礎。Covesion的PPLN晶體憑借其高非線性系數和精確地極化周期，實現了高效率的光子對產生，這將提高量子通信系統的整體速率。本文中采用WGP-1550-10光纖耦合加固型封裝波導應用于SPDC，在具有出色轉化效率的同時兼具易用與可靠，并可配套提供溫度控制器，保證晶體在穩定的溫度下工作，滿足相位匹配條件以獲得穩定的糾纏光子對產生。如果您對于封裝波導有更多其他的需求，Covesion也提供定制服務，包括周期以及晶體長度等等參數。