基于多重量子干扰生成无条件极化纠缠光子的光子系统

我们提出了一个高性能光子系统，利用多重量子干扰效应，以高发射速率产生极化纠缠、退化、选后无光子，并实现宽带分布大。我们的方法采用多反向红欧-曼德尔干涉工艺，产生极化纠缠光子，具有高生成效率，并可靠地将退化光子对分离成不同的光学模式，无需后选。首先，打开激光二极管，将功率设置为几毫瓦。

请对激光二极管表面以大约 45 度角的全息光栅进行全息光栅，并调整角度，直到光束强度看起来最大化。接下来，将激光与极化保持光纤连接。将光纤引导至功率计，并调整连接螺钉以最大限度地提高输出功率。

通过自由空间隔离器引导激光。然后，在光束的路径上放置一个半波板和一个四分之一波板，用于 405 纳米光。设置板角以实现所需的光束偏振状态。

接下来，在光束的路径中放置一个短通二色镜和一个偏振的分光器立方体。使用常规镜像将反射的 s 极化光束平行于传输的 p 极化光束。将零型 ppKTP 晶体放在温度控制平台上，安装在光束路径上。

调整平台，直到分裂的光束穿过晶体。然后，调整分束和反射镜，直到 s 和 p 极化光束平行几米。使用 405 纳米泵激光和 810 纳米参考激光进行此调整。

接下来，在 ppKTP 晶体的两侧安装双波半波板，垂直于入点光。光束分离器和晶体之间的半波板已设置为 22.5 度，另一个板提前设置为 45 度。然后，在设置的末尾放置一个反光器，通过 ppKTP 晶体和 22.5 度半波板将向下转换的光束引导回来。

放置 45 度半波板，以便只有从梁分离器反射入站光束，而从另一侧反射出射波穿过它。确保两个出站光束都定向到分束器中，以生成顺时针和逆时针光子光束。将 CCD 摄像机光束剖面图器与输出光子光束内联。

调整反射镜和反射器，使顺时针和逆时针光束对在相同的空间模式。然后，在四分之一波板和二色镜之间安装一个 300 毫米对焦透镜。定位镜头，使泵激光束的聚焦围绕 ppKTP 晶体中第二光子向下转换的生成位置。

拆下光束探查器，并在每个输出光束的路径中放置一个四分之一波板、一个线栅极化器和一个干扰滤波器。将光束与准直透镜镜头连接到多模光纤上。在每个四分之一波板之前放置一个 300 毫米对焦透镜，然后将输出光束对准准器。

然后，将多模光纤连接到使用硅雪崩光电二极管的单光子计数模块。完全组装后，关闭参考激光器，并重新连接二极管激光器。关闭房间灯，并排除所有外部灯。

然后，打开计数模块，然后倒计时转换的光子。然后，调整ppKTP晶体的温度和45度半波板的倾斜角度，以提高向下转换的光子的计数率。重复测量和调整，直到计算速率最大化。

在测量之前，为输出光束设置四分之一波板和偏振器的角度，以实现测量所需的极化基数。然后，将从二色镜反射的输出光束的单光子计数模块连接到时间振幅转换器的启动信号输入。通过电气延迟线将另一光束连接到停止信号输入。

将延迟时间设置为 50 纳秒，将显示时间范围设置为 100 纳秒。打开仪器软件，将测量时间设置为 30 秒，然后开始测量。测量完成后，记录脉冲高度分布。

使用多个极化基组合重复测量，并基于计数模块的时间分辨率确定一个巧合时间窗口。对于每次测量，在巧合时间窗口内集成峰值下的区域，以估计巧合计数。计算保真度和贝尔参数，以确认系统正在生成极化纠缠光子。

对六种极化基组合的巧合检测测量分析证实，该系统可以生成和检测极化纠缠光子。纠缠保真度为0.85，超过0.5的经典局部相关性极限。极化基础的相关性都超过了二的的经典参数极限，违反了贝尔不等式。

该方法允许选后无选择地将退化光子对分离成具有二型自发参数向下转换特性的不同光学模式，同时保持零型自发参数向下转换的大带宽和高效率。这种使用多量子干涉过程的方法，也可用于通过自发参数向下转换的刺激发射来应用纠缠光子。由于方案简单，通过修改非线性晶体中的脉冲激光泵送和波导结构，可以进一步提高极化纠缠光子生成效率。

我们还可以通过改变晶体的波光周期，在理论波长带中产生光子。由于零型自发参数向下转换的带宽较大，我们的技术使单位泵功率的光子对总生产率提高了2到3个数量级。相关光子对的大带宽提供了很短的巧合时间，在量子光学相干断层扫描和许多其他应用中引起了相当大的关注。