[论文解读] A fiber-coupled wavelength tunable source of narrowband entangled photons

Alessandro Fedrizzi, Thomas Herbst+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2007

Mechanical and Optical Resonators被引用 2

一句话总结

本论文提出一种基于25 mm PPKTP晶体的光纤耦合、波长可调谐窄带偏振纠缠光子源，采用偏振Sagnac干涉仪结构。该源实现273,000对/(s·mW·nm)的光谱亮度与T=0.987的纠缠纯度，相比以往光源亮度提升28倍，同时在宽波长调谐范围内保持高纠缠保真度。

ABSTRACT

We demonstrate a wavelength-tunable, fiber-coupled source of polarization-entangled photons with extremely high spectral brightness and quality of entanglement. Using a 25 mm PPKTP crystal inside a polarization Sagnac interferometer we detect a spectral brightness of 273000 pairs/(s mW nm), a factor of 28 better than comparable previous sources while state tomography showed the two-photon state to have a tangle of T=0.987. This improvement was achieved by use of a long crystal, careful selection of focusing parameters and single-mode fiber coupling. We demonstrate that, due to the particular geometry of the setup, the signal and idler wavelengths can be tuned over a wide range without loss of entanglement.

研究动机与目标

• 开发一种高亮度、光纤耦合的纠缠光子源，适用于实际的量子通信系统。
• 在不降低纠缠质量的前提下，实现信号光子与闲置光子的宽波长调谐。
• 在保持高保真度双光子纠缠的同时，将光谱亮度提升至超过现有光源的水平。
• 通过单模光纤耦合，实现与现有光纤通信基础设施的集成。

提出的方法

• 采用25 mm周期性极化KTiOPO4（PPKTP）晶体作为自发参量下转换的非线性介质。
• 将晶体置于偏振Sagnac干涉仪中，以生成偏振纠缠光子对。
• 通过仔细优化聚焦参数与晶体长度，提升光谱亮度并保持模式质量。
• 采用单模光纤耦合技术，高效收集并传输纠缠光子至标准光纤。
• 通过调节温度或晶体取向，改变相位匹配条件以实现波长调谐。
• 通过态层析技术，利用纠缠纯度（tangle）度量量化纠缠保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 光纤耦合、波长可调谐的窄带纠缠光子源能否显著超越现有系统的光谱亮度？
• RQ2 在保持高纠缠保真度的前提下，信号光子与闲置光子的波长可调谐范围在多大程度上得以扩展？
• RQ3 采用长PPKTP晶体与优化聚焦参数对光谱亮度与纠缠质量有何影响？
• RQ4 在光纤耦合配置下，能否同时实现高光谱亮度与高纠缠纯度？

主要发现

• 该源实现273,000对/(s·mW·nm)的光谱亮度，相比同类先前光源提升28倍。
• 双光子态的纠缠纯度T=0.987，表明纠缠保真度接近最大值。
• 由于Sagnac干涉仪的几何结构，系统在宽范围的信号与闲置光子波长下均保持高纠缠质量。
• 单模光纤耦合实现了与光纤基量子网络的高效集成。
• 长PPKTP晶体与优化聚焦参数是实现高光谱亮度的关键因素。
• 高亮度与宽调谐能力的结合使该源适用于可扩展的量子通信应用。