[论文解读] Generation of spectrally factorable photon pairs via multi-order quasi-phase-matched spontaneous parametric downconversion

Fumihiro Kaneda, Jo Oikawa+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用 5

一句话总结

本文展示了一种利用周期性畴极化 KTiOPO4 (PPKTP) 晶体中的多阶准相匹配（QPM）生成光谱可分离光子对的方法，通过空间调制的非线性分布剖面实现超过95%的单光子光谱纯度。该技术利用标准畴极化工艺，使相位匹配函数近似为高斯形式，从而在无需高精度制造的情况下，生成高纯度、低损耗的光子对，适用于多光子量子信息应用。

ABSTRACT

For advanced quantum information technology, sources of photon pairs in quantum mechanically factorable states are of great importance for realizing high-fidelity photon-photon quantum gate operations. Here we experimentally demonstrate a technique to produce spectrally factorable photon pairs utilizing multi-order quasi-phase-matching (QPM) conditions in spontaneous parametric downconversion (SPDC). In our scheme, a spatial nonlinearity profile of a nonlinear optical crystal is shaped with current standard poling techniques, and the associated phase-matching function can be approximated to a Gaussian form. By the measurement of a phase-matching function and the second-order autocorrelation function, we demonstrate that telecom-band photon pairs produced by our custom-poled crystal are highly factorable with > 95% single-photon purity.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、可重复的光谱可分离光子对生成方法，无需采用超高精度畴极化技术。
• 降低自发参量下转换（SPDC）光源中的光谱关联性，以提升量子信息系统中光子的不可区分性和门保真度。
• 证明单晶中多阶 QPM 可产生接近高斯形式的相位匹配函数，从而实现高光谱纯度。
• 通过 JSA 模拟和二阶自相关测量，验证生成光子对的高可分离性。
• 探索通过温和光谱滤波进一步提升纯度，同时最大限度减少后选效率的损失。

提出的方法

• 利用标准畴极化技术，在周期性畴极化的 KTiOPO4 (CPKTP) 晶体中设计空间非线性分布剖面，以实现多阶准相匹配（QPM）条件。
• 结合群速度匹配（GVM）与宽带泵浦脉冲，以最小化光谱关联性。
• 通过频率分辨和频生成（SFG）测量相位匹配函数，以表征联合光谱振幅（JSA）。
• 利用实验测得的相位匹配函数和高斯形泵浦包络，通过 Schmidt 分解模拟联合光谱振幅（JSA），估算光谱纯度。
• 测量信号模式的二阶自相关函数 $g^{(2)}$，以独立验证单光子纯度，其中 $P = g^{(2)} - 1$。
• 对信号和闲频模式应用13 nm带宽的平顶光谱滤波器，选择性抑制 JSA 的边缘瓣，从而在最小化后选效率损失的前提下提升纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准畴极化的非线性晶体中，多阶 QPM 是否能产生近似高斯形式的相位匹配函数，从而实现高光谱可分离性？
• RQ2 在无需高精度畴极化的情况下，该多阶 QPM 方法在通信波段 SPDC 源中可实现的单光子光谱纯度水平如何？
• RQ3 所测得的相位匹配函数与理论预期相比如何？边缘瓣对光谱纯度有何影响？
• RQ4 通过光谱滤波可将纯度提升至何种程度，同时保持后选效率？
• RQ5 该方法在实际应用中是否具备可扩展性，并与现有高效率光子收集技术兼容？

主要发现

• 实验测得的 CPKTP 晶体相位匹配函数呈现出主峰抑制边缘瓣的特征，实现了高度的光谱可分离性。
• 基于测得的相位匹配函数和最优 1.4 nm FWHM 泵浦带宽，估算生成光子对的光谱纯度为 95.6%，超过 95% 的纯度阈值。
• 二阶自相关测量结果证实了高纯度，其中 $P = g^{(2)} - 1$ 的值与基于模拟的估计值高度一致。
• 对 CPKTP 晶体的理论建模预测，在理想条件下最大光谱纯度可达 97.5%，略高于实验结果，原因在于实测函数的主峰更宽、瓣更显著。
• 应用 13 nm 带宽平顶滤波器后，光谱纯度提升至 99.9%，后选效率仅降低 0.5%，证明了实现近理想可分离性的实用路径。
• 该方法利用标准畴极化技术实现高光谱纯度，具备可扩展性和可重复性，适用于集成到多光子量子信息处理系统中。