俞 兵，金偉其，袁林光，楊鴻儒，吳 磊，馬世幫，尤 越，陳 娟

(1.北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

宣布式糾纏單光子源也稱概率性單光子源，即可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)單光子的產(chǎn)生，產(chǎn)生方法主要有參量下轉(zhuǎn)換法、四波混頻法等非線性光學(xué)方法。宣布式糾纏單光子源雖然不是確定性的單光子源，由于其宣布式的特點(diǎn)在光通訊、量子信息處理，以及超弱光子輻射探測(cè)等諸多應(yīng)用中都具有極為重要的實(shí)際意義[1～6]。

傳統(tǒng)的利用非線性晶體參量下轉(zhuǎn)換方法可以產(chǎn)生在時(shí)間、能量、動(dòng)量、極化、角動(dòng)量上相關(guān)的光子對(duì)，可將紅外波段的測(cè)量轉(zhuǎn)換為可見光波段的測(cè)量[7,8]。在原子系綜中利用四波混頻過程可以產(chǎn)生窄線寬糾纏光子對(duì)，同時(shí)利用電磁誘導(dǎo)透明的慢光效應(yīng)和三階非線性系數(shù)增強(qiáng)效應(yīng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)制糾纏光子對(duì)的波形，相比參量下轉(zhuǎn)換法具有線寬窄、相干時(shí)間長(μs量級(jí))、可在較長時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生高質(zhì)量糾纏光子對(duì)、糾纏光子對(duì)產(chǎn)生時(shí)間間隔接近于均勻分布等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前可控單光子源的一個(gè)研究方向[9～12]。

本文設(shè)計(jì)了基于冷原子團(tuán)的自發(fā)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生波長795 nm的宣布式糾纏單光子源，研究了背景輻射抑制與實(shí)時(shí)補(bǔ)償，高精度激光穩(wěn)頻，時(shí)序脈沖精密同步等獲得窄線寬、高質(zhì)量的單光子源的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，研究糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)方法，進(jìn)一步探索建立了以單光子探測(cè)器/量子基準(zhǔn)為基礎(chǔ)的量子化光輻射溯源量傳體系，滿足f J(飛焦)至單光子量級(jí)、pW以下微弱功率能量溯源需求。

2 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生機(jī)理

宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生原理為冷原子團(tuán)在耦合光和泵浦光的作用下產(chǎn)生自發(fā)四波混頻效應(yīng)，如圖1所示。其中耦合光ωc的波長為795 nm，泵浦光ωp的波長為780 nm，兩束光的絕對(duì)頻率穩(wěn)定度 1 MHz，總功率范圍為0 mW至20 mW可調(diào)。工作時(shí)耦合光與泵浦光同時(shí)相向照射在具有大光學(xué)厚度85Rb原子冷原子團(tuán)上，在該過程中會(huì)輻射產(chǎn)生一對(duì)斯托克斯(Stokes)光子ωs和反斯托克斯(anti-Stokes)光子ωas， 該光子對(duì)具有在時(shí)間和頻率上量子糾纏的特性。其中anti-Stokes光子波長為795 nm，脈沖寬度單位100～1 000 nm。通過對(duì)Stokes光子ωs的探測(cè)，可準(zhǔn)確知道anti-Stokes光子ωas的產(chǎn)生情況，即宣布式糾纏單光子源。通過對(duì)泵浦光功率的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子產(chǎn)生率的調(diào)整。

圖1 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生機(jī)理圖Fig.1 Generation mechanism of heralded

3 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置

宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置如圖2所示，主要包括銣原子二維磁光阱系統(tǒng)(MOT)、泵浦光和耦合光系統(tǒng)、精密時(shí)序控制系統(tǒng)、有效原子數(shù)和基態(tài)退相率測(cè)定系統(tǒng)。

圖2 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置框圖Fig.2 The generating device of heralded entangled single-photon sources

圖2中的MOT用于產(chǎn)生二維線狀銣冷原子團(tuán)，由梯度磁場(chǎng)系統(tǒng)、激光冷卻系統(tǒng)、回泵光系統(tǒng)和真空吸收池系統(tǒng)及銣原子釋放系統(tǒng)組成。泵浦光和耦合光系統(tǒng)主要用來形成自發(fā)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生所需795 nm單光子，精密時(shí)序控制系統(tǒng)主要對(duì)系統(tǒng)中的所有激光和探測(cè)器進(jìn)行時(shí)序上的精確控制。有效原子數(shù)和基態(tài)退相率測(cè)定系統(tǒng)用來測(cè)試決定產(chǎn)生的單光子質(zhì)量的冷原子團(tuán)有效原子總數(shù)和基態(tài)退相率兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[13]。宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光子對(duì)經(jīng)過1/4波片和偏振分光鏡(PBS)后，耦合進(jìn)單模光纖(SMF)，經(jīng)SMF傳輸至單光子探測(cè)器(SPCM)進(jìn)行采集分析。

宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置核心技術(shù)指標(biāo):平均光子數(shù)(糾纏光子對(duì))產(chǎn)生率1～105個(gè)/s；相干時(shí)間測(cè)量范圍0.01～2 μs；相干時(shí)間測(cè)量不確定度U=5 ns (k=2)；量子二階相關(guān)函數(shù)測(cè)量范圍： 0～2， 量子二階相關(guān)函數(shù)測(cè)量不確定度U=0.1 (k=2)。

3.1 背景輻射抑制與實(shí)時(shí)補(bǔ)償

在宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置中，涉及到冷卻光，回泵光，泵浦光，耦合光和探測(cè)光等多束激光，同時(shí)環(huán)境中還存在大量雜散光子，為了獲得高質(zhì)量的單光子源，必須對(duì)這些背景雜散光進(jìn)行有效的抑制。分別在單光子源的產(chǎn)生階段，傳播階段和探測(cè)階段這3個(gè)階段對(duì)背景輻射進(jìn)行抑制與實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

在單光子源產(chǎn)生階段，為了盡量減少冷卻光和回泵光對(duì)單光子的影響，在單光子產(chǎn)生時(shí)，通過精密時(shí)序控制電路將冷卻光和回泵光進(jìn)行短暫關(guān)閉，達(dá)到屏蔽冷卻光和回泵光干擾的目的。

在單光子傳播階段，主要通過在泵浦光軸線偏離一定角度的方向收集雙光子對(duì)，將單光子耦合進(jìn)入單模光纖并且采用提高原子池表面面型減少散射的方案來實(shí)現(xiàn)傳播途徑上屏蔽雜散光的影響。

在單光子探測(cè)階段，主要通過窄線寬濾光片配合時(shí)間選通技術(shù)實(shí)現(xiàn)在單光子探測(cè)階段對(duì)雜散光的有效屏蔽。

3.2 高精度激光穩(wěn)頻

在冷原子自發(fā)四波混頻效應(yīng)過程中，對(duì)冷卻光、回泵光、泵浦光、耦合光和探測(cè)光等激光的頻率穩(wěn)定度均有較高要求，為達(dá)到激光光源所需的高精度頻率穩(wěn)定性，采用種子光穿過如圖3所示的銣原子光譜吸收池, 產(chǎn)生飽和吸收信號(hào)作為鑒頻信號(hào)。

圖3 銣原子光譜吸收池Fig.3 The absorption cell of rubidium atomic spectrum

通過比例-積分控制電路對(duì)外腔腔長和種子激光的激勵(lì)電流進(jìn)行反饋控制，將頻率鎖定在信噪比較高的交叉峰中，頻率穩(wěn)定度約1 MHz，從而實(shí)現(xiàn)激光頻率的高精度穩(wěn)定。

3.3 時(shí)序脈沖精密同步

為了使單光子產(chǎn)生過程持續(xù)高效率進(jìn)行，需對(duì)裝置中各路激光和探測(cè)器進(jìn)行高精度的開閉控制?？刂菩盘?hào)時(shí)序圖如圖4所示，典型的二維磁光阱工作時(shí)序以5 ms為周期，每個(gè)周期中4.5 ms的時(shí)間用在二維磁光阱中冷卻和陷俘足夠多的原子數(shù)，0.5 ms的時(shí)間窗口用來進(jìn)行單光子產(chǎn)生或者冷原子團(tuán)的參數(shù)的測(cè)定。因?yàn)椴煌娮釉O(shè)備之間依靠內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)之間會(huì)有累積誤差，裝置中所有的時(shí)序控制設(shè)備的時(shí)鐘參考信號(hào)均會(huì)來自于一臺(tái)獨(dú)立的原子鐘，其短期和長期穩(wěn)定度均可達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的要求，時(shí)序同步精度小于1 μs[14]。

圖4 控制信號(hào)時(shí)序圖Fig.4 The sequence diagram of controlling signals

4 糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)

量子二階相關(guān)函數(shù)、平均光子數(shù)和相干時(shí)間是評(píng)價(jià)糾纏光子源性能指標(biāo)的核心參數(shù)，其中量子二階相關(guān)函數(shù)采用HBT干涉法進(jìn)行校準(zhǔn)，平均光子數(shù)和相干時(shí)間在糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)裝置上采用比對(duì)法進(jìn)行校準(zhǔn)。

糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)裝置組成如圖5所示。

圖5 糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)裝置組成Fig.5 The parameter calibration device of entangled photon sources

該裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)糾纏光子源、平均光子數(shù)測(cè)量裝置、相干時(shí)間測(cè)量裝置以及被校準(zhǔn)單光子源等組成。通過糾纏光子源標(biāo)準(zhǔn)裝置與待校準(zhǔn)單光子源的平均光子數(shù)量相干時(shí)間測(cè)量值tS和tM的比值，得到標(biāo)準(zhǔn)糾纏光子源和被校準(zhǔn)單光子源測(cè)量結(jié)果之間的修正系數(shù)Ct：

(1)

5 基于光量子基準(zhǔn)的量值溯源體系

目前基于低溫輻射計(jì)的溯源體系已不能滿足量子光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)喂庾又羏J(飛焦)量級(jí)極微弱光輻射測(cè)量的需求。國際計(jì)量主要向溯源量子化、量傳扁平化方向發(fā)展[15，16]。

針對(duì)新型光電倍增管、雪崩二極管、超導(dǎo)單光子探測(cè)器量值溯源需求，以及量子通信、量子計(jì)算、單光子成像等領(lǐng)域?qū)O弱光輻射計(jì)量的迫切需求，探索基于光量子基準(zhǔn)的全新光輻射量值溯源體系，將大幅提升光輻射計(jì)量水平，減小極弱激光能量(以及極弱光輻射其他測(cè)量參數(shù))的測(cè)量不確定度。

圖6為基于光量子基準(zhǔn)的全新光輻射量值溯源體系圖。

圖6 基于光量子基準(zhǔn)的新光輻射量值溯源體系Fig.6 The new optical radiation traceability system based on the quantum basic standards

隨著外腔體激光器功率的提高，宣布式糾纏單光子源的可控單光子的產(chǎn)生率可以提高到107以上，根據(jù)光子的能量公式計(jì)算得到795 nm單個(gè)光子能量為2.499×10-19J，糾纏光子輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置1 s內(nèi)產(chǎn)生1～107個(gè)光子，能量范圍覆蓋單光子至pJ量級(jí)，平均光子數(shù)測(cè)量不確定度達(dá)到2%，滿足f J至單光子量級(jí)、pW以下微弱功率能量溯源需求。

6 結(jié) 論

基于冷原子團(tuán)在耦合光和泵浦光作用下產(chǎn)生自發(fā)四波混頻效應(yīng)，設(shè)計(jì)了宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置，通過背景輻射抑制與實(shí)時(shí)補(bǔ)償、高精度激光穩(wěn)頻、時(shí)序脈沖精密同步獲得窄線寬、高質(zhì)量的單光子源，并探索建立了基于光量子基準(zhǔn)的全新光輻射量值溯源體系，可滿足fJ至單光子極弱能量測(cè)量及溯源需求。該體系建成后將極大提高探測(cè)器量子效率的測(cè)量精度，滿足量子領(lǐng)域探測(cè)器光子探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)、最大/最小計(jì)數(shù)率等參數(shù)計(jì)量溯源需求。