偏振纠缠态光子在芯片中的产生与测量

Optical quantum information science, such as quantum key distribution and quantum computing, has significant applications and attracts broad interests from the globe. However, existing experiments require the most sophisticated equipment in specially equipped labs only to achieve the most basic functionalities. Therefore, they are still far from practical applications. In order to achieve practical quantum technologies, different components need to be integrated, as the integration of electronic computers. In optical quantum information processing, entangled photons are indispensable resources. Being able to realize on-chip generation, manipulation and detection of entangled photons is a major step towards practical quantum information processing. In this project, we plan to realize a highly integrable (without any free-space component), robust polarization entangled photon source with high efficiency and degree of entanglement on nonlinear optical chips. We further plan to integrate tunable polarization rotators and splitters on a chip, achieving on-chip measurement of polarization entangled photons. This work could pave the way for practical optical quantum information processing.

光学量子信息科学，比如量子密钥分发，量子计算等，具有巨大的应用价值，因此受到世界各国的广泛关注。但是，现有的实验需要用最精密的设备才能在最专业的实验室实现最基本的功能，因此离实际应用有较大的距离。如果要实用化量子技术，各个所需的部件必须集成化，就如同电子计算机的集成一样。在光学量子信息处理中，纠缠态光子是所需的核心资源。实现纠缠态光子在芯片上的产生，操控以及探测是量子信息处理实用化的重要步骤。本项目拟通过理论和实验的研究，在非线性光学芯片上实现一个既可以实现高度集成化(即不需要任何自用空间中的器件)，具有高稳定性，又具有高光子产生效率和高纠缠度的偏振纠缠态光源。本项目将进一步在芯片上集成可调偏振控制器和偏振分光器，实现偏振纠缠态在芯片上的测量。该项目的研究将推动量子信息科学实用化的发展。

量子信息科学正经历由基础科学到应用研究的发展，例如量子密钥分发、量子计算等。为了实现实用化的量子信息处理，就必须有实用化的量子器件。针对这一问题，本项目选取了光学量子信息处理中最重要的资源之一，即纠缠态光源作为研究对象，通过理论和实验发明了一种集成化的偏振纠缠态光源，以及一种在芯片上对偏振纠缠态进行测量的技术。具体的研究内容包含以下几个方面：.1 纠缠态光子在芯片上的产生和操控理论分析.针对集成光路的色散特性，从量子力学的理论出发，推导了自发参量下转换（SPDC）产生的双光子的量子态，提出了使用波导耦合器，通过量子干涉来实现光子对的分光，并最终产生最大纠缠态的方法。.2 偏振纠缠态光子在芯片中的产生技术研究.利用以上理论，设计了基于钛扩散铌酸锂波导的Y分支波导，周期性极化波导，与偏振无关的3dB耦合器。这些器件共同组成了集成的偏振纠缠态光源。后期由于周期性极化钛扩散铌酸锂波导的加工问题，重新设计了基于薄膜铌酸锂的周期性极化波导。.3 偏振纠缠态在芯片中的测量技术研究.设计了基于铌酸锂波导的偏振旋转器，偏振分光器以及表面等离子体偏振滤波器，用这些器件构成了偏振态的投影测量器件。.4 芯片样品的制作和原理性实验验证.通过外协加工对样品进行了4个批次的制作和测试。在每一个批次的样品测试中，都发现了设计或制作的问题。通过对每一个功能元器件的测试，证明本项目提出的技术的可行性。.5 纠缠态光源在空间环境中的应用.为了应对潜在中的天地、空地一体化量子网络，开展了纠缠态光源在空间载荷中的应用研究，包括铌酸锂器件的空间抗辐射特性，空间载荷的轨道与捕获技术研究。.6 集成光学器件频率转换效率的研究.为了提高纠缠态光子的产生效率，需要提高器件的非线性频率转换效率。本项目提出了一种利用模式间相位匹配技术，将频率转换效率提高2个数量级的方法。.本项目的研究成果为实用化、集成化的纠缠态光子的产生和测量提供了可行的方法，推动了光学量子信息技术的发展。