馬亞云 馮晉霞2) 萬振菊 高英豪 張寬收2)

1)(山西大學(xué)光電研究所,量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)2)(極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,山西大學(xué),太原 030006)

(2017年7月18日收到;2017年8月26日收到修改稿)

1 引 言

量子糾纏態(tài)作為一種量子資源,可以用于發(fā)展突破經(jīng)典極限的量子信息科學(xué)與技術(shù),已被應(yīng)用于量子通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域[1,2].利用連續(xù)變量量子糾纏態(tài)光場已經(jīng)完成了量子隱形傳態(tài)、量子保密通信、量子密集編碼等實(shí)驗(yàn)研究[3?6].這些重要的原理性實(shí)驗(yàn)大多集中在1μm波段,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的連續(xù)變量量子通信,需要發(fā)展與現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)高度兼容的光通信波段量子糾纏態(tài)光場.該光場在光纖中傳輸時具有較低的傳輸損耗,可最大程度保留其量子特性不被破壞.硅光纖的透明窗口為1.5μm波段和1.3μm波段.盡管1.5μm波段光場在光纖傳輸中吸收損耗較1.3μm波段小,但1.3μm光場在光纖中傳輸時具有更小的相散效應(yīng),可減小由于相散導(dǎo)致的光場相位噪聲對光場相位關(guān)聯(lián)的影響[7].此外,由于晶體材料的固有特性,1.3μm全固態(tài)激光器的研制相對容易[8,9],有利于實(shí)用化的連續(xù)變量量子通信.

1992年,Kimble小組[10]首先利用II類溫度相位匹配的磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4,KTP)晶體,通過非簡并光學(xué)參量放大器(nondegenerate optical parametric ampli fi er,NOPA),獲得偏振正交的Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)量子糾纏光束.1998年,該小組進(jìn)一步采用分束鏡耦合兩束正交相位壓縮光,獲得了EPR量子糾纏光束[11].國內(nèi)山西大學(xué)光電研究所利用自制的全固態(tài)內(nèi)腔倍頻穩(wěn)頻Nd:YAP激光器作為抽運(yùn)源,通過II類溫度相位匹配KTP晶體構(gòu)成的NOPA,獲得8.4 dB連續(xù)變量1.08μm糾纏態(tài)光場[12].在光通信波段量子糾纏態(tài)研究方面,德國漢諾威大學(xué)Schnabel小組在2011年通過正交壓縮態(tài)與真空場耦合獲得了1.5μm波段連續(xù)變量“vacuum-class”EPR量子糾纏態(tài)光場[13].山西大學(xué)光電研究所于2016年采用II類溫度相位匹配楔角KTP晶體構(gòu)成的三共振NOPA,獲得了2.2 dB的1.34μm EPR量子糾纏光束[14].

本文首先利用880 nm的激光二極管雙端偏振抽運(yùn)YVO4-Nd:YVO4-YVO4復(fù)合晶體,采用I類溫度相位匹配的三硼酸鋰(LBO)晶體內(nèi)腔倍頻,獲得了連續(xù)單頻671 nm/1342 nm雙波長激光器,并通過模式清潔器降低了激光器額外噪聲.利用該低噪聲連續(xù)單頻激光器作為抽運(yùn)源,抽運(yùn)由II類溫度相位匹配的周期極化磷酸氧鈦鉀(periodically poled KTiOPO4,PPKTP)晶體構(gòu)成了雙共振的NOPA,實(shí)驗(yàn)制備了1.34μm連續(xù)變量EPR量子糾纏態(tài)光場.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

連續(xù)變量1.34μm量子糾纏態(tài)光場產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.激光光源為我們自行研制的全固態(tài)高功率、低噪聲連續(xù)單頻671 nm/1342 nm雙波長激光器(SL-DPSSL).激光器諧振腔采用8鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu),使用兩個凸面諧振腔鏡提高了模式匹配并有效地補(bǔ)償了諧振腔的像散.利用880 nm的激光二極管雙端偏振抽運(yùn)YVO4-Nd:YVO4-YVO4復(fù)合晶體,采用I類臨界相位匹配的LBO晶體內(nèi)腔倍頻,獲得的雙波長激光的最大輸出功率分別為1.5 W(671 nm)和1.3 W(1342 nm),在4 h內(nèi)的功率穩(wěn)定性均優(yōu)于±0.6%.激光器輸出的激光經(jīng)過雙色鏡(dichroic beam splitter,DBS)將1342 nm激光全部反射,671 nm激光全部透射.671 nm激光作為NOPA腔的抽運(yùn)光,1342 nm激光作為NOPA腔的注入光.1342 nm激光經(jīng)過透射率為99%的分束器(beam splitter,BS),反射的部分激光注入到共焦法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)腔(自由光譜區(qū)為750 MHz,精細(xì)度為370),用于監(jiān)視激光器的縱模模式.光電探測器(photo diode,PD1)用于探測F-P腔輸出光的強(qiáng)度.671 nm激光和1342 nm激光分別注入模式清潔器(mode cleaners,MC)用于改善輸出激光的光束質(zhì)量和過濾激光的額外噪聲至散粒噪聲基準(zhǔn)(shot noise level,SNL),MC均為無源的三鏡環(huán)形諧振腔.MC1放置在注入光1342 nm光路中,MC2放置在抽運(yùn)光671 nm光路中.實(shí)驗(yàn)中采用Pound-Drever-Hall(PDH)穩(wěn)頻技術(shù)將MCs的腔長鎖定在其對應(yīng)注入激光的共振頻率處[15,16].利用電光調(diào)制器(electro-optic modulator,EOM)為鎖腔系統(tǒng)加載高頻調(diào)制信號.光學(xué)隔離器(optical isolator,OI)用于抑制光學(xué)元件表面的反射激光反饋回激光器.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)制備連續(xù)變量1.34μm量子糾纏態(tài)光場實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1.(color online)Schematic of the experimental setup used to generate continuous variable quantum entanglement at 1.34μm.

NOPA是由兩個曲率半徑為30 mm的平凹鏡構(gòu)成的線性腔,腔內(nèi)放置一塊II類溫度匹配的PPKTP晶體.輸入耦合鏡的凹面鍍注入光高反膜,抽運(yùn)光高透膜(R1342nm＞99.8%,T671nm＞99%),平面鍍注入光和抽運(yùn)光減反膜(R1342nm,671nm＜0.5%).輸出耦合鏡凹面鍍抽運(yùn)光高反膜,注入光部分反射膜(R671nm＞99.8%,R1342nm=96%),平面鍍注入光減反膜(R1342nm＜0.5%).輸出耦合鏡固定在壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer,PZT)上,通過控制加載在PZT3電壓精確控制NOPA的腔長.PPKTP晶體的尺寸為1 mm×2 mm×20 mm,兩端面均鍍有注入光和抽運(yùn)光減反膜(R1342nm＜0.1%,R671nm＜0.2%).PPKTP晶體放置在導(dǎo)熱性良好的紫銅控溫爐內(nèi),通過高溫溫度控制儀驅(qū)動加熱陶瓷片精確控制晶體的溫度.NOPA腔內(nèi)的信號光和閑置光雙共振,抽運(yùn)光雙次穿過.注入信號光以偏振方向45°入射到NOPA腔,并在PPKTP晶體中分解為頻率相同、偏振正交的兩個模式,通過精確控制晶體的溫度實(shí)現(xiàn)注入信號光兩個模式在腔內(nèi)雙共振.

當(dāng)NOPA運(yùn)轉(zhuǎn)于閾值以下,利用PZT4控制抽運(yùn)光與注入信號光的相對相位為π時,NOPA運(yùn)轉(zhuǎn)于參量反放大狀態(tài),輸出偏振正交的具有振幅反關(guān)聯(lián)、相位正關(guān)聯(lián)的EPR糾纏態(tài)光場.NOPA輸出光場經(jīng)過一個偏振分束棱鏡(polarization beam splitter,PBS)分成兩束具有EPR量子糾纏的光場,并利用PZT5將兩束EPR量子糾纏光束的相對相位差控制為π/2.該糾纏態(tài)光場采用Bell態(tài)直接探測系統(tǒng)進(jìn)行測量,該探測系統(tǒng)由兩個PBS、一個半波片(half wave plate,HWP)、兩個光電探測器PD2和PD3、以及兩個射頻分束器(radio frequency power splitter,RF)組成.實(shí)驗(yàn)中通過擋住NOPA的抽運(yùn)光,測量NOPA腔長鎖定后穩(wěn)定輸出的注入信號光場的噪聲功率譜來獲得SNL,此時注入信號光的輸出功率應(yīng)與產(chǎn)生的量子糾纏態(tài)光場的功率保持一致.PD2和PD3的光電二極管型號為FD500 W(Fermionics Opto-Technology company),對1342 nm光場的量子效率為90%.PD2和PD3輸出的光電流分別經(jīng)過RF等分之后相加減,加、減后的電信號利用頻譜分析儀(spectrum analyzer,SA)記錄,分別獲得量子糾纏態(tài)光場的正交振幅和、正交相位差的噪聲功率.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于激光器的噪聲特性直接影響量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中首先測量了671 nm/1342 nm雙波長激光器輸出激光的噪聲特性,如圖2所示.671 nm/1342 nm激光的強(qiáng)度噪聲和相位噪聲均在3 MHz處達(dá)到SNL.其中,激光的相位噪聲采用一個強(qiáng)度相位轉(zhuǎn)換分析腔進(jìn)行測量[17].圖2(a)中的曲線(ii),(iii)分別為1342 nm激光的強(qiáng)度噪聲和相位噪聲,圖2(b)中的曲線(ii),(iii)分別為671 nm激光的強(qiáng)度噪聲和相位噪聲,圖2(a)和圖2(b)中的曲線(i)為SNL.理論研究表明,光學(xué)參量放大器輸出的糾纏態(tài)光場在分析頻率越低時其糾纏度越大[18].因此我們采用MCs進(jìn)一步降低671 nm/1342 nm激光的額外噪聲,盡可能降低測量糾纏態(tài)光場的分析頻率.MC1(精細(xì)度為400、線寬為0.75 MHz)放置在注入光1342 nm光路中,MC2(精細(xì)度為400、線寬為0.75 MHz)放置在抽運(yùn)光671 nm光路中.采用PDH技術(shù)鎖定MCs的腔長后,MC1和MC2透射率分別為50%和60%.經(jīng)過MCs過濾后,671 nm和1342 nm激光的強(qiáng)度噪聲分別在1.0 MHz處達(dá)到SNL,如圖2(a)和圖2(b)中的曲線(iv)所示.671 nm和1342 nm激光的相位噪聲分別在1.3 MHz處達(dá)到SNL,如圖2(a)和圖2(b)中的曲線(v)所示.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)671 nm/1342 nm雙波長激光器輸出激光的噪聲特性 (a)1342 nm激光噪聲特性;(b)671 nm激光噪聲特性Fig.2.(color online)Noise of 671 nm/1342 nm dual wavelength laser:(a)1342 nm laser;(b)671 nm laser.

實(shí)測NOPA腔對于注入信號光的精細(xì)度為147,光學(xué)參量振蕩閾值為325 mW.利用溫度控制儀將PPKTP晶體工作溫度控制在179.0°C,滿足II類溫度相位匹配條件.當(dāng)抽運(yùn)光功率為260 mW,注入信號光功率為10 mW時,實(shí)測的NOPA的經(jīng)典增益為4倍.在分析頻率為2.0 MHz處,NOPA腔輸出的EPR糾纏態(tài)光場的正交振幅和及正交相位差的關(guān)聯(lián)噪聲如圖3所示.分別定義兩束EPR糾纏光a和b對應(yīng)的正交振幅和正交相位為圖3(a)和圖3(b)中曲線(ii)分別為正交振幅和及正交相位差的關(guān)聯(lián)噪聲功率,圖3(a)和圖3(b)中曲線(i)為對應(yīng)的SNL.由圖3可知其關(guān)聯(lián)噪聲功率分別低于散粒噪聲基準(zhǔn)3.03 dB和3.01 dB.對于EPR量子糾纏態(tài)光場,嚴(yán)格的充分必要判據(jù)為其中

實(shí)驗(yàn)制備的1.34μm EPR量子糾纏態(tài)光場的糾纏度相對比較低,可能是由于II類溫度相位匹配的PPKTP晶體的非線性轉(zhuǎn)換效率較低、吸收系數(shù)較大引起的.實(shí)驗(yàn)測量了1342 nm激光單次穿過PPKTP晶體時的二次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化效率,僅為0.002%/(W·cm).同時測量了PPKTP晶體對于1342 nm和671 nm波段激光的吸收系數(shù),分別為0.02 cm?1和0.1 cm?1.PPKTP晶體對于抽運(yùn)光的吸收非常大,這增大了NOPA的閾值并會引起腔內(nèi)嚴(yán)重的熱效應(yīng)而導(dǎo)致NOPA腔運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定,從而影響量子糾纏態(tài)光場糾纏度的提高.PPKTP晶體對于1342 nm激光的吸收也比較大,增大了NOPA腔的內(nèi)腔損耗,限制了量子糾纏態(tài)光場糾纏度的提高.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)EPR量子糾纏態(tài)光場的關(guān)聯(lián)噪聲(a)振幅和關(guān)聯(lián)噪聲;(b)相位差關(guān)聯(lián)噪聲Fig.3.(color online)Noise powers of the EPR-entangled beams:(a)Correlation variance of amplitude sum;(b)correlation variance of phase difference.

4 結(jié) 論

利用880 nm的激光二極管雙端偏振抽運(yùn)YVO4-Nd:YVO4-YVO4復(fù)合晶體,采用I類溫度相位匹配的LBO晶體內(nèi)腔倍頻,獲得了連續(xù)單頻671 nm/1342 nm雙波長激光器,激光最大輸出功率分別為1.5 W(671 nm)和1.3 W(1342 nm),在4 h內(nèi)的功率穩(wěn)定性均優(yōu)于±0.6%.實(shí)驗(yàn)中采用自制的窄帶無源三鏡環(huán)形腔作為模式清潔器過濾了雙波長激光器輸出激光的額外噪聲,671 nm/1342 nm激光的強(qiáng)度噪聲在1.0 MHz處達(dá)到SNL,相位噪聲在1.3 MHz處達(dá)到SNL.利用該低噪聲單頻激光器抽運(yùn)由II類準(zhǔn)相位匹配晶體構(gòu)成的雙共振NOPA,實(shí)驗(yàn)制備出糾纏度為3 dB的光纖通信波段1.34μm連續(xù)變量EPR量子糾纏態(tài)光場.下一步將通過提高非線性轉(zhuǎn)換效率、降低內(nèi)腔損耗等措施進(jìn)一步提高量子糾纏態(tài)光場的糾纏度.本研究工作可為基于現(xiàn)有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)變量量子信息研究提供優(yōu)質(zhì)的量子光源.

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