铯原子D2线852纳米波长窄带单光子源优化升级及其量子频率转换研究

The single-photon source based on manipulation of single atom trapped in a microscopic optical tweezer has much narrower bandwidth compared with the single-molecule-, single-quantum-dot-, single-N-V-center-based single-photon sources and the optical-parametric-oscillation-based heralded single-photon sources, therefore it will be very important for deeply understanding photon-matter interaction at single photon and single atom level in quantum optics and for linear optics quantum computation and quantum cryptography in quantum information precessing; Also quantum frequency conversions of the single photons will be very important parts for exploring implementation of quantum networks. Based on the techniques of laser cooling/trapping and coherent manipulation of single atoms we have already demonstrated and known well, we will focus on the preparation and optimization of 852-nm narrow-band single-photon source and its quantum frequency down-conversion to 1.5-micrometer telecom-band. The following aspects will be investigated in this proposed project: 1). High-probability preparation of the single cesium atoms in a microscopic tweezer, and effectively extending trapping lifetime of single atoms in the case of resonant pulsed optical excitation; 2). Exploring the optimized system of nanosecond laser pulses with a high repetition rate for atom excitation, and improving the ON/OFF ratio and the repetition rate, therefore optimizing and upgrading the 852-nm single-photon source; 3). Investigating quantum frequency down-conversion of 852-nm single photons to 1.5-micrometer telecom-band based on the periodically-poled nonlinear crystal waveguide; 4). Measuring and characterizing the properties of the single-photon sources before and after quantum frequency conversion.

基于微尺度光阱中单原子操控的单光子源，与单分子、单量子点、单色心等单光子源以及基于光学参量振荡的预告式单光子源相比有更窄的带宽，在量子光学领域对在单光子-单原子层次深入理解光与物质相互作用、在量子信息领域的线性光学量子计算和量子保密通信方面具有重要意义；单光子的量子频率转换在探索量子网络构建方面是重要环节。拟在已掌握的单原子的冷却、俘获及操控的基础上，围绕852纳米窄带单光子源的制备、优化升级及其量子频率下转换至1.5微米光纤通信波段的目标，拟研究以下内容：1)、单原子在微尺度光阱中的高效制备和在有共振脉冲光激发时单原子俘获寿命的有效延长；2)、研究可用于激发原子的高重复率纳秒脉冲激光的产生方案，提高脉冲光的开关比和重复率，从而优化升级852纳米单光子源；3)、研究采用周期极化非线性波导对852纳米单光子向1.5微米量子频率下转换；4)、测量并表征量子频率转换前后的单光子源的物理特性。

本项目在已掌握的单原子冷却、俘获及操控的基础上，进一步优化852nm窄带单光子源的激发方案。研究通过非线性光学频率转换准位相匹配材料，实现852nm单光子量子频率下转换至1.5μm光纤通信波段。1)、通过优化脉冲激发光的重复频率及脉宽，提高单光子产率。通过交替激发/冷却的方法降低原子加热效应，提高原子俘获寿命。将脉冲光重复频率从10MHz提高到25MHz，单光子产率可提升2.5倍。在此基础上将冷却光强度提高到15倍饱和光强，冷却时间增加到2000μs，延长了原子在光镊中的俘获寿命；2)、进一步优化基于单原子操控的852nm窄带单光子源，通过磁场触发装置将单原子概率由28%提高到80%；对优化后的单原子磁光阱所辐射的光场作Hanbury Brown-Twiss (HBT)实验测量，得到零延时归一化的二阶关联度为0.11，确认了单光子特性；3)、研究量子频率转换噪声产生机理，比较了不同实验方案，选择1878nm激光作为泵浦光，实现852nm单光子量子频率下转换至1.5μm光纤通信波段；4)、基于准位相匹配PPMgO:LN块状晶体实现1560nm激光上转换至852nm，通过声光调制器将1560nm激光斩波为脉冲并衰减至单光子级，模拟单光子级频率上转换。使用带宽为0.5nm的带通滤波器，在150mW泵浦光注入下，最大上转换效率为1.9%，信噪比为38.8；5)、基于PPMgO:LN块状晶体实现852nm激光下转换至1560nm，通过声光调制器将852nm激光斩波为脉冲并衰减至单光子级，模拟单光子级频率下转换。比较了不同带宽滤波器对信噪比的影响，在使用带宽为12nm的带通滤波器及带宽为0.3nm的光纤布拉格光栅滤波器时，注入150mW的1878nm泵浦光，信噪比为31.3，最大转换效率为1.7%。通过改变噪声光子的偏振态进一步提高信噪比，在相同条件下信噪比可由31.3提高至58.3；6)、基于准相位匹配PPLN波导实现单光子级852nm弱光下转换至1560nm。在磁光阱运行在多原子状态，使用带宽为12nm的带通滤波器及带宽为0.3nm的光纤布拉格光栅滤波器时，得到最大下转换效率为5.4%，信噪比为2.3。发表国际国内学术论文23篇，国际及国内学术会议报告19人次，申请并获授权中国发明专利2项，培养毕业博士生2人和硕士生3人。