基于光学超晶格制备集成化的多光子纠缠源的理论和实验研究

光子纠缠源在量子力学基本原理、量子光学基础和量子信息的研究领域发挥着重要的作用，而制备光子纠缠源的简易程度直接影响源的性能，如稳定性和便携性等。集成化的光子纠缠源，即包含一个固体结构（如非线性晶体）的光子纠缠源，相比包含多个固体结构或物理系统的光子纠缠源，具有小型化、模块化、稳定性高、简易及便携的优点，且符合未来大规模量子网络和量子计算的要求。与目前较易制备的双光子纠缠源相比，多光子纠缠源的结构更复杂，往往含有多个固体结构，但有更重要的研究意义和更大的应用空间。本项目拟利用光学超晶格，发挥其作为人工微结构材料的灵活性，基于多重准相位匹配原理，实现一块超晶格中多个参量下转换过程的集成，制备出有应用价值的集成化的多光子纠缠态，并研究这些纠缠态的性质和应用。本项目拟在理论上探索出一系列可行性方案，在实验上实现部分方案并付之于应用。

光子纠缠源是光量子技术的基础，寻求简易高效的制备光子纠缠源的方法一直是人们研究的热点，其中基于单块晶体的集成化光子纠缠源具有稳定性高、简易及便携等优点。而相比于双光子纠缠源，多光子纠缠源的结构要复杂很多，本项目围绕基于光学超晶格制备集成化多光子纠缠源的制备与应用展开，利用灵活的准相位匹配参量下转换和多重准相位匹配原理，设计了一系列可用于制备集成化光子纠缠源的光学超晶格，并研究了纠缠源的性质和应用，推动了有源量子芯片的发展，主要取得了如下几个方面的成果：（1）利用信号和闲置光反向传播的准相位匹配方式，我们设计了一种高效、窄带、集成化的光子偏振纠缠源，此方案不依赖于任何量子态投影，即为非后选择性的，我们给出了频率简并和非简并的晶体结构例子。（2）为了实验上更方便制备，我们设计了另一种基于二维光学超晶格的集成化偏振纠缠光子源，作为例子，我们给出了两种能够产生频率简并和非简并偏振纠缠光子对且实验上易于制备的光学超晶格结构。（3）我们提出一个利用一块二维光学超晶格中多个参量下转换制备集成化多光子路径纠缠源的方案，该方案得到的多光子路径纠缠态是非后选择性的，不依赖于任何量子态的投影，只需要明确光子数目即可以得到需要的纠缠态，这一点优于很多已有的方案，大大增加了应用的范围。（4）我们在实验上验证了集成化双光子纠缠源，验证了光学超晶格对光子纠缠源的可集成化的操控，我们还在实验上用CCD观察了更多参量下转换在一块光学超晶格中的集成化。（5）我们研究了光子路径纠缠源在量子光刻中的应用，比较了双模压缩真空态和配对相干态，两者应用于相干光刻技术时得到的条纹比瑞利极限允许的光刻周期小一半，随着平均光子数的增加光刻条纹可见度下降且有相同的强光可见度极限，但是平均光子数相同时配对相干态有更高的条纹可见度和更窄的亮条纹宽度。