利用连续波光学参量振荡器实现光的量子态制备

本实验的目标是利用非经典关联光束作为主要光源，高保真度地生成运动光学场的非高斯态，包括单光子态以及被称为薛定谔猫态的相干态叠加态。在此基础上，通过在其中一束光中探测到单个光子，从而将另一束光投影到一个由单光子探测事件标记的条件量子态上。

这种方法被称为条件制备技术，其中将一个初始的高斯资源与一种非高斯测量（例如光子计数）相结合。随后，通过零差探测对所制备的 heralded 态进行测量，以实现完整的量子态层析。最终获得的结果表明，基于两种不同的光学参量振荡器，可实现高保真度的量子态制备。

该技术能够实现对多种信息协议至关重要的量子态资源的制备。尤为重要的是，基于光学参量态或 oio 的方法可实现极低混合度的真空 ID 80 态，并将光发射至受良好控制的特定模式，送入 oio 腔中。这一特性有利于在后续协议中使用这些态，例如在光学 GA 实现中或更复杂的场景中，与其他光学资源发生干涉。

为了执行该操作，构建一个半整体式线性谐振腔，以提高机械稳定性并减少腔内损耗。该谐振腔包含一块KTP晶体，以及一个直接镀在非线性晶体一端面上的输入镜，晶体另一端面则镀有增透膜。选择输入耦合镜在532纳米泵浦光处的反射率为95%，并在1064纳米信号光和闲频光处实现高反射。相反，输出耦合镜应选择对泵浦光高反射，对信号光和闲频光具有一定透射率。

红外光的透射率（T）为10%。光学参量振荡器的自由光谱范围等于4.3吉赫兹，带宽约为60兆赫兹。使用连续波倍频掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器作为激光光源，在532纳米波长处泵浦光学参量振荡器（OPO），实现泵浦光与谐振腔模式之间的模式匹配。

通过调节晶体温度和激光频率，使腔体达到三重共振。为此，可在示波器上观察红外光和绿光的透射峰。同时将一束弱红外光注入OPO锁相环中。

利用泵浦共振的 Pound-Drever-Hall 技术测量 OPO 腔长。为此，对泵浦光施加电光调制，并使用光学隔离器在偏振分束器上探测从腔体反射回来的光。分离信号光和闲频光场。

其中一个对应于导引模式，另一个则是将由零差探测检测的被导引态。将导引模式引导至单光子探测器。滤除导引模式中的频率非简并模式，以消除光学参量振荡器（OPO）腔产生的影响。

首先，使用带宽为0.5纳米的干涉滤光片。添加一个自制的线性法布里-珀罗腔，其自由光谱范围为330吉赫兹，带宽为300兆赫兹。选择该腔的带宽大于OPO的带宽，其自由光谱范围大于干涉滤光片的频率窗口。

实现对非简并模式整体至少 25 分贝的抑制。在按照文本方案中所述稳定光路后，在测量期间使用单光子探测器检测滤波后的触发模式。采用超导单光子探测器以限制暗噪声水平，否则暗噪声将导致性能下降。

条件态的保真度。使用由50/50分束器构成的平衡外差探测来探测预示态，其中待表征的光场与一个强连续波本地振荡器发生干涉，并由一对高量子效率的气体光电二极管进行探测。为了对准探测系统，将一束1064纳米的强辅助光注入OPO腔并进行模式匹配。

将其与本地振荡器模式匹配，实现接近于1的条纹可见度。任何模式失配的二次方都会转化为探测损耗。

使用六毫瓦的本地振荡器功率检查同相检测特性。散粒噪声极限在50兆赫兹以下保持平坦，在低分析频率时比电子噪声高出20分贝，在50兆赫兹的分析频率时高出16分贝。

该距离是一个关键参数，因为它会转化为检测中的损耗。对于单光子探测器的每一次检测事件，使用采样率为每秒5吉样点的示波器记录霍莫迪光电流，持续时间为100纳秒。

测量过程中，通过安装在压电陶瓷（PZT）上的反射镜扫描本地振荡器的相位。对每个记录的信号段进行滤波后，累积测量结果，并使用最大似然算法对数据进行后处理。该过程可实现对触发态密度矩阵及其对应的维格纳函数的重构。

通过重建密度矩阵的对角元素以及相应的Wigner函数（未进行任何损耗校正），可直观展示触发态的层析成像重建结果。该触发态的单光子组分高达78%。若计入整体探测损耗，该量子态与理想单光子态的保真度可达91%。双光子组分来源于参量下转换过程中产生的多光子对，其占比被抑制在3%以内。类似的方法也可应用于一类称为单模压缩光的I型纠缠源。

通过反射压缩真空态的一小部分。利用分束器，可以减去单个光子，从而实现对猫态的制备。在另一模式中，条件模式需要与前述实验中所述相同的频率滤波。箭头所指示的状态以相同的方式进行表征。本文介绍的条件制备技术始终是初始侧向光源与由探测器执行的测量之间相互作用的结果。

由于C晶体、OPO的单一性、逃逸效率以及我们的超导探测器在高负载条件下的极低暗噪声，这两个组分显著影响所产生态的量子特性。本文介绍的方法能够可靠地生成具有很高保真度的非高斯态，主要限制因素在于探测过程中的损耗。请务必注意，使用激光可能存在极高危险性，在执行此操作时，应始终采取佩戴激光防护眼镜等安全预防措施。