基于PPLN波导芯片的单光子频率转换的光量子接口研究

Quantum network is predicted to be the platform for both of the application and fundamental research of quantum communication and distributed quantum computation. Quantum communication, quantum memory, and quantum entanglement swapping among spatially separated nodes in an optical fiber network are realized through a photonic quantum interface of single-photon frequency conversion, which are the key technologies of constructing large-scale quantum network. Therefore, it is urgent to develop different types of high-performance photonic quantum interfaces of single-photon frequency conversion to avoid excessive loss. Our previous studies have achieved a heralded single-photon source, frequency conversion of two single-photon level coherent states, and frequency conversion of single photon. This project is going to focus on the nonlinear effect of PPLN waveguide chip and photonic quantum interface of single-photon frequency conversion, which includes the following parts: (1) Single-photon frequency conversion from quantum communication band to quantum communication band; (2) Single-photon frequency conversion from quantum communication band and quantum memory in the near-visible window; (3) The frequency conversion of two uncorrelated quantum telecommunication band photons, which will provide very strong supports in theory and experiments for achieving a photonic quantum interface of quantum entanglement swapping between spatially separated nodes.

量子网络是量子保密通信和分布式量子计算重要的研究和应用平台。通过单光子频率转换的光量子接口在光纤网络中不同的节点之间实现量子通信、量子存储、以及量子纠缠交换，是构建大规模量子网络的关键技术。为此亟需研制出不同功能的高性能单光子频率转换的光量子接口，以避免过多的损失。我们前期研究已实现可预报的单光子源、单光子水平弱相干光的频率转换、以及单光子的频率转换。本项目基于周期性极化铌酸锂（PPLN）波导芯片非线性效应，围绕“单光子频率转换的光量子接口”的主题，拟开展以下研究：（1）量子通信波段到量子通信波段的单光子频率转换；（2）量子通信波段到量子存储波段的单光子频率转换；（3）两个不关联的量子通信波段光子的频率转换，为实现不同节点之间的量子纠缠交换的光量子接口提供理论依据和实验基础。

单光子频率转换的光量子接口在量子网络中有着重要的应用，比如量子通信、量子存储、量子纠缠交换。在本研究课题中，我们基于周期性极化铌酸锂（PPLN）波导芯片非线性效应，研制了三种不同类型的光量子接口，即量子通信波段之间进行相互转换的光量子接口，量子通信波段到量子存储波段的光量子接口，以及为实现远距离量子纠缠交换的单光子之间非线性作用的光量子接口。除实现项目的预期目标外，还取得了如下成果：.1）基于PPLN波导芯片实现了一个双向的量子纠缠切换接口。在实验中，量子纠缠态可以在轨道角动量和时能自由度之间来回切换，切换前后状态的保真度均高于90%。.2）基于单光子频率转换的光量子接口的量子通信网络。在实验中，任意两个用户可以在40公里的光纤中进行QSDC，网络中任意两用户共享的纠缠态保真度仍然大于95%，信息传输速率可以保持在1 Kbp/s。 .3）为了将我们的远距离QKD系统应用到未来的量子光纤网络，我们对基于多粒子纠缠态为量子信道的量子通信方案进行了理论的预研。.4）项目实施期间，项目成员在Physical Review Letters，Light: Science and Applications, International Journal of Theoretical Physics等期刊发表论文8篇，参加国内会议3次，培养研究生3名。