案例分享|聚焦PPLN:1.48GHz通訊波段糾纏光子源的技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)價(jià)值

生成高速率的糾纏光子對(duì)的能力是量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子信息處理（QIP）系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。QKD為安全社會(huì)提供了前景，包括保護(hù)關(guān)鍵信息、基礎(chǔ)設(shè)施以及有價(jià)值的數(shù)據(jù)，例如guo家的電網(wǎng)、水務(wù)等系統(tǒng)。而QIP則為容錯(cuò)通用量子計(jì)算鋪平了道路，有效減少量子比特的錯(cuò)誤率，從而實(shí)現(xiàn)更快的藥物發(fā)現(xiàn)和復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化，提供了強(qiáng)大的計(jì)算支持。

為了達(dá)成這個(gè)目的，由英國創(chuàng)新署（Innovate UK）資助的“高速率糾纏光子"項(xiàng)目（High Rate of EntangLED Photons，HiREP）應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)目由英國Covesion Ltd主導(dǎo)并與弗勞恩霍夫應(yīng)用光子學(xué)中心合作，利用非線性光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)研發(fā)出一種高速率、偏振糾纏的光子對(duì)源。昊量光電作為Covesion產(chǎn)品的代理，致力于為客戶提供高質(zhì)量的PPLN產(chǎn)品和專業(yè)的技術(shù)支持。

項(xiàng)目主要目標(biāo)：

• 開發(fā)周期性極化鈮酸鋰PPLN波導(dǎo)，用于高效產(chǎn)生光子對(duì)。

• 通過將高功率泵浦源與高轉(zhuǎn)換效率的波導(dǎo)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種能夠高速產(chǎn)生糾纏光子的光學(xué)系統(tǒng)。

• 演示通信波長（1560nm）偏振糾纏光子的高生成率（>1GHz，符合歐洲航天局規(guī)定的市場(chǎng)要求）。

• 為波導(dǎo)晶體和集成糾纏光子源提供進(jìn)入市場(chǎng)的途徑。

集成（基于波導(dǎo)的）自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）為高效生成糾纏光子對(duì)提供了一種途徑，因?yàn)樗邢罗D(zhuǎn)換光都被限制在定義明確的單個(gè)橫向模式中，從而提高了收集效率。此外，集成化為生成最終具有更高 極別功能的魯棒性解決方案提供了一種途徑，包括泵浦激光器和分束器。高糾纏光子率對(duì)于實(shí)現(xiàn)高安全密鑰率（例如，經(jīng)過空間傳輸損耗后）或提高量子信息處理能力至關(guān)重要。由Covesion開發(fā)的PPLN波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)高效二次諧波發(fā)生（SHG）和自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）。波導(dǎo)經(jīng)過優(yōu)化，在1560nm的基礎(chǔ)波長上以單模運(yùn)行，其MFD與標(biāo)準(zhǔn)（PM1550）光纖跳線非常匹配，從而實(shí)現(xiàn)了光纖集成的高耦合效率，利用這些波導(dǎo)展示了高速率糾纏光子。

通過PPLN波導(dǎo)設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)光學(xué)平臺(tái)演示系統(tǒng)，共分為以下三個(gè)階段

第1階段 SPDC泵浦：基于放大的通信波段（1560nm）激光器SHG產(chǎn)生780nm光源。高效SHG由Covesion PPLN波導(dǎo)提供。

第2階段 光子對(duì)生成：PPLN波導(dǎo)通過SPDC在1560nm波長處產(chǎn)生光子對(duì)。將SPDC波導(dǎo)置于Sagnac干涉儀中可實(shí)現(xiàn)偏振糾纏。

第3階段 光子對(duì)檢測(cè)：信號(hào)光子和閑頻光子被分為兩路，利用偏振光學(xué)器件進(jìn)行單獨(dú)分析，并通過超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）進(jìn)行時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（tcspc）測(cè)量。

糾纏光子演示裝置

對(duì)CHSH參數(shù)（Clauser-Horne-Shimony Holt）的測(cè)量（2<s=2.73<2.83）證明了光子糾纏，chsh s="" style="box-sizing: border-box;"> 2就可證明量子糾纏存在。在低增益條件下測(cè)量光子對(duì)的生成速率，結(jié)果表面，在平均光子數(shù)為0.1時(shí)，zui大光子對(duì)生成速率可達(dá)1.48GHz，較低的平均光子數(shù)則表面該系統(tǒng)更接近純量子態(tài)。這些關(guān)于演示源性能的測(cè)量結(jié)果可以轉(zhuǎn)化為量子密鑰分發(fā)（QKD）參數(shù)。對(duì)于采用預(yù)報(bào)單光子的BB84協(xié)議，根據(jù)此源，其zui大密鑰率計(jì)算為0.633 Gbps，偏振分辨保真度為98%。

偏振糾纏的測(cè)量

光子對(duì)生成率

糾纏光子演示裝置的性能

工作在1560/780 nm的SHG/SPDC波導(dǎo)已作為商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布。Covesion提供帶有PM1550或PM850光纖輸入和輸出的波導(dǎo)光纖耦合封裝，例如WGCO-1550-40，應(yīng)用于這些波長轉(zhuǎn)換。同時(shí)為了使糾纏源適合制造并作為商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布，下一步工作計(jì)劃包括縮小源的尺寸、集成泵浦激光源、采用全光纖化結(jié)構(gòu)（包括Covesion光纖耦合波導(dǎo)模塊）以及整體降低尺寸、重量和功耗（SWaP-c）。

Covesion光纖耦合波導(dǎo)模塊

HiREP項(xiàng)目成功演示了一種偏振糾纏光子源，憑借Covesion的PPLN波導(dǎo)優(yōu)異性能，其生成速率超過1 GHz。這為實(shí)現(xiàn)適合量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)需求的光子源的實(shí)用化鋪平了道路。

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經(jīng)驗(yàn)的公司，專注于高效非線性頻率轉(zhuǎn)換的MgO:PPLN（氧化鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導(dǎo)的研究、開發(fā)和制造。他們提供廣泛的產(chǎn)品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導(dǎo)以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務(wù)，利用其極化技術(shù)為PPLN晶體設(shè)計(jì)和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉(zhuǎn)換需求。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為英國Covesion在中國地區(qū)的獨(dú)代,負(fù)責(zé)其所有產(chǎn)品在國內(nèi)的銷售、服務(wù)，以及售后技術(shù)支持等等,如有任何問題,歡迎隨時(shí)聯(lián)系我們!

參考文獻(xiàn)：

1. Lewis G. Carpenter, Sam A. Berry, Rex H. S. Bannerman, Alan C. Gray, and Corin B. E. Gawith, “ZnO indiffused MgO:PPLN ridge waveguides," Opt. Express 27, 24538-24544 (2019)

2. B. Ndagano et al., “A Gigahertz-Rate Source of Polarization-Entangled Photons Using Type-0 PPLN Waveguides," 2024 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), Charlotte, NC, USA, 2024, pp. 1-2.

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