生成高速率的糾纏光子對的能力是量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子信息處理（QIP）系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。QKD為安全社會提供了前景，包括保護關(guān)鍵信息、基礎(chǔ)設(shè)施以及有價值的數(shù)據(jù)，例如國家的電網(wǎng)、水務(wù)等系統(tǒng)。而QIP則為容錯通用量子計算鋪平了道路，有效減少量子比特的錯誤率，從而實現(xiàn)更快的藥物發(fā)現(xiàn)和復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化，提供了強大的計算支持。

為了達成這個目的，由英國創(chuàng)新署（Innovate UK）資助的“高速率糾纏光子”項目（High Rate of Entangled Photons，HiREP）應(yīng)運而生。該項目由英國Covesion Ltd主導(dǎo)并與弗勞恩霍夫應(yīng)用光子學(xué)中心合作，利用非線性光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)研發(fā)出一種高速率、偏振糾纏的光子對源。昊量光電作為Covesion產(chǎn)品的官方代理，致力于為客戶提供高質(zhì)量的PPLN產(chǎn)品和專業(yè)的技術(shù)支持。

項目主要目標

開發(fā)周期性極化鈮酸鋰PPLN波導(dǎo)，用于高效產(chǎn)生光子對。

通過將高功率泵浦源與高轉(zhuǎn)換效率的波導(dǎo)相結(jié)合，設(shè)計一種能夠高速產(chǎn)生糾纏光子的光學(xué)系統(tǒng)。

演示通信波長（1560nm）偏振糾纏光子的高生成率（>1GHz，符合歐洲航天局規(guī)定的市場要求）。

為波導(dǎo)晶體和集成糾纏光子源提供進入市場的途徑。

集成（基于波導(dǎo)的）自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）為高效生成糾纏光子對提供了一種途徑，因為所有下轉(zhuǎn)換光都被限制在定義明確的單個橫向模式中，從而提高了收集效率。此外，集成化為生成最終具有更高級別功能的魯棒性解決方案提供了一種途徑，包括泵浦激光器和分束器。高糾纏光子率對于實現(xiàn)高安全密鑰率（例如，經(jīng)過空間傳輸損耗后）或提高量子信息處理能力至關(guān)重要。由Covesion開發(fā)的PPLN波導(dǎo)可以實現(xiàn)高效二次諧波發(fā)生（SHG）和自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）。波導(dǎo)經(jīng)過優(yōu)化，在1560nm的基礎(chǔ)波長上以單模運行，其MFD與標準（PM1550）光纖跳線非常匹配，從而實現(xiàn)了光纖集成的高耦合效率，利用這些波導(dǎo)展示了高速率糾纏光子。

通過PPLN波導(dǎo)設(shè)計并制造了一個光學(xué)平臺演示系統(tǒng)，共分為以下三個階段

第1階段SPDC泵浦：基于放大的通信波段（1560nm）激光器SHG產(chǎn)生780nm光源。高效SHG由Covesion PPLN波導(dǎo)提供。

第2階段光子對生成：PPLN波導(dǎo)通過SPDC在1560nm波長處產(chǎn)生光子對。將SPDC波導(dǎo)置于Sagnac干涉儀中可實現(xiàn)偏振糾纏。

第3階段光子對檢測：信號光子和閑頻光子被分為兩路，利用偏振光學(xué)器件進行單獨分析，并通過超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）進行時間相關(guān)單光子計數(shù)（TCSPC）測量。

糾纏光子演示裝置

對CHSH參數(shù)（Clauser-Horne-Shimony Holt）的測量（2 2就可證明量子糾纏存在。在低增益條件下測量光子對的生成速率，結(jié)果表明，在平均光子數(shù)為0.1時，最大光子對生成速率可達1.48GHz，較低的平均光子數(shù)則表明該系統(tǒng)更接近純量子態(tài)。這些關(guān)于演示源性能的測量結(jié)果可以轉(zhuǎn)化為量子密鑰分發(fā)（QKD）參數(shù)。對于采用預(yù)報單光子的BB84協(xié)議，根據(jù)此源，其最大密鑰率計算為0.633 Gbps，偏振分辨保真度為98%。

偏振糾纏的測量

光子對生成率

糾纏光子演示裝置的性能

工作在1560/780 nm的SHG/SPDC波導(dǎo)已作為商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布。Covesion提供帶有PM1550或PM850光纖輸入和輸出的波導(dǎo)光纖耦合封裝，例如WGCO-1550-40，應(yīng)用于這些波長轉(zhuǎn)換。同時為了使糾纏源適合制造并作為商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布，下一步工作計劃包括縮小源的尺寸、集成泵浦激光源、采用全光纖化結(jié)構(gòu)（包括Covesion光纖耦合波導(dǎo)模塊）以及整體降低尺寸、重量和功耗（SWaP-c）。

Covesion光纖耦合波導(dǎo)模塊

HiREP項目成功演示了一種偏振糾纏光子源，憑借Covesion的PPLN波導(dǎo)優(yōu)異性能，其生成速率超過1 GHz。這為實現(xiàn)適合量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子網(wǎng)絡(luò)市場需求的光子源的實用化鋪平了道路。

參考文獻：

1.Lewis G. Carpenter, Sam A. Berry, Rex H. S. Bannerman, Alan C. Gray, and Corin B. E. Gawith, “ZnO indiffused MgO:PPLN ridge waveguides,” Opt. Express 27, 24538-24544 (2019)

2.B. Ndagano et al., “A Gigahertz-Rate Source of Polarization-Entangled Photons Using Type-0 PPLN Waveguides,” 2024 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), Charlotte, NC, USA, 2024, pp. 1-2.

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經(jīng)驗的公司，專注于高效非線性頻率轉(zhuǎn)換的MgO:PPLN（氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導(dǎo)的研究、開發(fā)和制造。他們提供廣泛的產(chǎn)品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導(dǎo)以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務(wù)，利用其極化技術(shù)為獨特的PPLN晶體設(shè)計和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個周期結(jié)構(gòu)設(shè)計、掩膜設(shè)計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉(zhuǎn)換需求。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國Covesion在中國地區(qū)的獨家授權(quán)代理商,負責其所有產(chǎn)品在國內(nèi)的銷售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等等,如有任何問題,歡迎隨時聯(lián)系我們!