利用连续波光学参量振荡器实现光的量子态制备

摘要

我们描述了一种利用光学参量振荡器发射的非经典光，通过条件制备方法可靠地生成行波光学场的非高斯态，包括单光子态和相干态叠加态。文中考虑了I型和II型相位匹配的振荡器，并详细说明了常用的操作步骤，例如所需的频率滤波，以及通过零差探测实现的高效率量子态表征。

摘要

构建电磁场的非经典态是量子光学研究的核心目标之一^1,2。除了其基础科学意义外，这些非经典态还可作为实现多种量子协议的资源，应用范围涵盖精密测量、量子通信到量子计算。多种器件可用于产生非经典态，例如单光子发射体、光与物质相互作用系统或非线性系统³。本文重点关注连续波光学参量振荡器的应用^3,4。该系统基于置于光学谐振腔内的二阶非线性χ²晶体，已被广泛证实是一种高效的非经典光光源，可根据晶体的相位匹配条件产生单模或双模压缩真空态。
压缩真空态属于高斯态，因其正交分量的分布遵循高斯统计特性。然而，已有研究表明，许多量子协议需要非高斯态才能实现⁵。直接生成此类非高斯态极具挑战性，通常需要强三阶非线性（χ³）。另一种替代方案是采用基于测量诱导非线性的条件制备技术，通过对高斯态进行条件操作，以概率性但可标记的方式生成非高斯态。本文详细描述了利用两种不同相位匹配的参量振荡器作为初始资源，生成两种典型非高斯态——单光子态和相干态叠加态的具体实验方案。该技术能够实现与目标态的高保真度，并可在精确控制的时空模式下生成所需量子态。

引言

对行进光学场的量子态进行调控的能力是量子信息科学与技术的核心要求¹，包括量子通信、量子计算和量子计量学。本文讨论利用连续波光学参量振荡器发射的光作为主要资源，来制备和表征某些特定量子态的方法^3,4 在阈值以下运行。具体将考虑两种系统——II类相位匹配的OPO和I类OPO，分别用于可靠地产生触发式单光子和光学相干态叠加（CSS）。 即 α⟩ 态> - |-α>这些态是实现多种量子信息协议的重要资源，涵盖从线性光学量子计算⁶ 光学杂交方案^5,7重要的是，本文介绍的方法能够获得极低的真空混合度，并将发射导入时空模式高度可控的状态。

一般来说，量子态可以根据相空间中称为维格纳函数 W(x, p) 的准概率分布的形状，分为高斯态和非高斯态⁸。对于非高斯态，维格纳函数可以取负值，这是非经典性的显著特征。单光子态或相干态的叠加确实是非高斯态。

一种生成此类态的有效方法被称为条件制备技术，该技术将初始的高斯资源与一种称为非高斯测量（如光子计数）的方法相结合^9,10,11,13。这一总体方案虽为概率性，但具有可宣告性，其示意图如图1a所示。

方案

1. 光学参量振荡器

1. 构建一个4 厘米长的半整体式线性谐振腔（以提高机械稳定性并降低腔内损耗）。输入镜直接镀在非线性晶体的一个端面上。
2. 选择泵浦光（532 nm）的输入耦合镜反射率为95%，对信号光和闲频光（1,064 nm）具有高反射性。相反，输出耦合镜应对泵浦光高反射，对红外光的透射率T=10%。光学参量振荡器（OPO）的自由光谱范围为Δω = 4.3 GHz，带宽约为60 MHz。使谐振腔实现三重共振。 即 用于泵浦光和下转换光场。
3. 使用KTP晶体用于II型OPO系统，或使用PPKTP晶体用于I型OPO。将晶体温度稳定在其相位匹配温度下。
4. 使用连续波倍频Nd:YAG激光器作为激光光源。在532 nm处泵浦OPO，并将红外光通过高精细腔（模式清洁器）进行空间滤波后，用作零差探测的本地振荡器（LO）。
5. 实现泵浦光与腔模的模式匹配。
6. 使用Pound–Drever–Hall技术将腔长锁定在泵浦光共振频率上。为此，对泵浦光施加12 MHz的电光调制，并利用光隔离器探测从腔体反射回来的光。

2. 条件准备：过滤预示路径

1. 将OPO输出分为两种模式：一种对应于 heralding 模式，另一种为将由零差探测检测的 heralded 态。
2. 将 heralding 模式引导至单光子探....

结果

对于II型OPO及高保真度单光子态的产生：
在图2中展示了触发态的层析重构结果，其中显示了重构密度矩阵的对角元以及相应的维格纳函数。在未进行任何损耗校正的情况下，触发态的单光子成分高达78%。考虑整体探测损耗（15%）后，该态与理想单光子态的保真度达到91%。双光子成分来源于下转换过程中产生的多光子对，其比例被限制在3%以内。

对于I型OPO及CSS态的产生：
I型OPO的阈值约为50 mW。为了观察到显著的压缩效应，我们在接近阈值的条件下进行测量。 即 泵浦功率为 40 mW，分析频率为 5 MHz。如图所示 图3a，测得的压缩为相对于散粒噪声的-10.5 ± 0.5 dB（未做任何校正；若对探测损耗和电子学噪声进行校正，则为16 ± 1 dB），反压缩为19 ± 0.5 dB。在泵浦功率为40 mW和5 mW时，0至50 MHz范围内的完整噪声谱如图所示 图3b在泵浦功率为5 mW时，压缩与反压缩的值几乎相同，从而产生纯度接近1的高纯度压缩真空.......

讨论

本文介绍的条件制备技术始终依赖于初始的双粒子资源与 heralding 探测器所执行的测量之间的相互作用。这两个组成部分对所生成量子态的量子特性具有显著影响。

首先，制备态的纯度在很大程度上依赖于初始资源的纯度，因此需要一个“优质”的OPO。什么是“优质”OPO？它是指逃逸效率η接近于1的装置。参数η由输出耦合器透射率T与该透射率和腔内损耗（来自晶体中的散射或吸收）L+T之和的比值给出。对于给定的L，应提高输出耦合器的透射率，但这会导致阈值随透射率的平方而增加。逃逸效率直接决定了在接近阈值时所能获得的最大压缩程度。在此实验中，两个OPO的逃逸效率均约为96%。在条件制备过程中，OPO需在远离阈值的条件下运行，以确保获得较高的纯度。

另一个因素来自单光子探测的触发作用。首先，目前的单光子探测器大多是开关型探测器，只能表明至少有一个光子被探测到。因此，至关重要的是要确保在条件路径中出现两个光子的概率远低于出现一个光子的概率。其次，探测器可能存在噪声。这类事件并不能有效触发目标态的生成，从而导致被触发态与初始资源态的混合。具体而言，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
泵浦激光器	Innolight	Diabolo	双输出，红外和532 nm
KTP和PPKTP晶体	Raicol		可从其他供应商获取
干涉滤光片	Barr associates
高效率光电二极管	Fermionics		量子效率高于97%
示波器	Lecroy	Wave runner 610 Zi	用于数据采集
频谱分析仪	Agilent	N9000A	可从其他供应商获取
法拉第旋转器	Qioptic	FR-1060-5SC	可从其他供应商获取
压电陶瓷（PZT）	PI	P-016.00H	可从其他供应商获取
超导单光子探测器	Scontel	SSPD	暗计数低
光开关	Thorlabs	OSW12-980E	可从其他供应商获取