基于相干频率下转换的红外单光子源的研究

In this project, we will investigate the infrared single-photon source based on color centers in diamond via coherent frequency downconversion, which is stable at room temperature for fiber-based quantum communication. We will look for the new laws in single-photon coherent downconversion, develop the new concept of single-photon generation at different wavelengths, expand the wavelength tuning technique for single-photons, and realize the room-temperature stable infrared single-photon source for long-distance fiber quantum communication. The development of infrared single-photon source based on diamond color center will be applied to future information techiniques based on quantum manipulation, and increasing the stability of the infrared single-photon source to be practical. And this project will also develop a novel method for quantum feature interface, to precisely control the wavelength of the single-photon source in order to match that of the quantum storage devices, and pave the way to optical qbit operations.

本项目将探索利用相干频率下转换技术将基于金刚石色心的单光子源的发光波段推进到红外光纤通信波段，通过这种方式获得室温稳定的红外波段单光子源。在研究过程中，我们将探索单光子相干频率下转换新规律，分析单光子相干频率下转换过程中泵浦激光纵模耦合以及参量荧光噪声对量子特性转移的影响，发展不同波段单光子产生新概念，拓展单光子源波长调谐的新技术，实现宽带单光子光源的高效频率转换。利用金刚石色心结合频率转换技术实现的红外通信波段单光子源将有望应用于基于量子调控的未来信息处理技术，有效提高红外波段单光子源的稳定性，形成实用化红外波段单光子源，为实现单光子的远程传输和操控提供技术手段。同时也为单光子量子特性完全转换发展新的手段，实现对单光子波长的精密控制，使其与其他量子信息存储器件波长相匹配，为在量子计算中对光学量子比特进行操作提供解决方案。

本项目探索了利用相干频率下转换技术将基于金刚石色心的单光子源的发光波段推进到红外光纤通信波段的方法，通过相干频率下转换技术实现对单光子源波长的精密测控技术；获得了室温稳定的红外波段单光子源，探索了单光子相干频率转换新规律，通过相干单光子频率转换技术对色心荧光寿命精确测量；分析单光子相干频率转换过程中参量荧光噪声对量子特性转移的影响，并对单光子频率转换的量子特性进行量子层析分析；拓展单光子源波长调谐的新技术，实现实现了带有轨道角动量的光子在相干频率转换中角动量的保持；通过单光子频率转换技术实现对单光子源波长的精密测控技术，研制完成基于关联光子的红外“单光子探测器效率标定系统”的科学仪器。