基于光纤参量放大器的高维纠缠态时间模式调控的研究

Field-orthogonal temporal modes of entangled states intrinsically span a high-dimensional Hilbert space, thus, they can be used in high-dimensional quantum communication and quantum computing. Currently, the study of the multi-temporal mode entangled states are mainly based on optical parametric oscillators, which are complex and difficult to navigate. Another approach to prepare multi-temporal mode entangled states is by single passed parametric process in nonlinear medium with waveguide structure, which is simple and easy to navigate, and thus is beneficial for realizing practicality. However, the researches on waveguide systems are not as comprehensive as optical parametric oscillator systems, and many factors should be sufficient studied in waveguide systems which can be ignored in optical parametric oscillators. Here we will establish a theoretical model base on the experimental scheme of the generation of multi-mode quantum states in low loss waveguide media with single passed pump pulse, and propose to control the output temporal modes by adjusting the spectrum and chirp of the input pump. The main research contents are as follows: (i) Establishing a model to describe the four-wave mixing process whose pump is effected by dispersion, self-phase modulation and so on; (ii) Regulating and controlling the temporal modes by generalizing the model for the pumps with arbitrary spectrum and chirp; (iii) Analyzing the factors which impact the accuracy of the measured eigenmodes in experiment. Our research will provide guidance on preparation of the fiber based multi-temporal continuous variable entangled states with controllable temporal modes experimentally.

多时间模式纠缠态光场可以展开为高维希尔伯特空间，在高维量子信息技术中有广阔的应用前景。目前其制备大多基于参量谐振腔系统，这种装置复杂，操控难度大。超快泵浦光单次穿过波导结构的非线性介质也可以产生多时间模式纠缠，且装置简单，便于操控，更利于实用化。然而，相较于谐振腔系统，人们对此类装置的研究还不够全面，而且诸多谐振腔中可忽略的因素需要在此类系统中加以充分研究。本项目拟根据脉冲光单次穿过低损耗波导介质产生多模量子态的实验装置，建立相应的理论模型，研究利用泵浦光频谱形状和啁啾调控输出纠缠光场的时间模式。本项目的研究内容主要有：（i）建立包含泵浦光色散和自位相调制等效应影响的四波混频过程理论模型。（ii）将模型扩展至任意频谱形状和啁啾的泵浦，实现基于泵浦光的时间模式调控。（iii）分析实验系统中影响本征模精确测量的因素。此项目的开展将为实验制备基于光纤的模式可控的多时间模式连续变量纠缠态提供指导。

利用超快脉冲泵浦光纤产生的四波混频参量光场，具有高维时间模式，在量子信息技术中具有潜在应用价值。然而在四波混频光场产生的过程中常伴随色散、自位相调制、拉曼散射等线性和非线性过程，使输出参量光场的时间模式变得复杂。为了深入了解实际光纤中产生四波混频光场的时间模式特性并对其调控，本项目在以下几个方面开展了相关研究并取得一定结果：. i. 损耗、色散和自位相调制对色散位移光纤中四波混频光场时间模式的影响。我们建立了泵浦光为高斯型无啁啾脉冲，受损耗、色散和自位相调制效应影响时，四波混频光场时间模式分析模型；分析了不同长度光纤情况下的联合频谱和模式，发现随光纤长度的增加，联合频谱函数关联性降低、模式更集中。. ii. 泵浦光频谱和啁啾对色散位移光纤中四波混频光场时间模式的影响。我们建立了任意频谱形状的泵浦光及泵浦光含可调啁啾时四波混频过程的分析模型；模拟了超高斯和双高斯泵浦时四波混频光场的联合频谱与时间模式。为利用泵浦光频谱和啁啾调控四波混频光场时间模式奠定基础。. iii. 光纤中自发拉曼光子的时间模式特性。我们分析了在有损耗、色散和自位相调制的情况下，自发拉曼光子的二阶相关函数，发现泵浦光的色散和自位相调制会减小拉曼光子的二阶相关函数；拉曼光子的二阶相关函数随泵浦光与拉曼光子间的色散致走离增大而减小；当无色散和自位相调制效应时，自发拉曼光子与参量下转换光子具有相同的二阶相关函数表示式，仅由泵浦光脉宽和拉曼光子的相干时间的比值决定。. 此外，本项目还研究了基于光纤环中四波混频过程的具有高维时间模式的频率简并孪生光束的产生和分离。提出了利用内置偏振控制器控制顺时针和逆时针传播光束间的位相差、利用内置可调光束衰减器补偿光束耦合器分束比不均衡，实现简并孪生光束的产生和空间分离方案。本项目的开展为光纤四波混频光场的高维时间模式制备和应用提供了参考。