[论文解读] A quantum detector for photon entanglement

Jan Huwer, Joyee Ghosh+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用 10

一句话总结

本文展示了利用单个 40Ca+ 离子作为偏振敏感、共振的单光子探测器，以表征来自自发参量下转换（SPDC）源的可调谐窄带光子对的偏振纠缠。通过关联探测对偶光子实现光子吸收的后选，再结合量子态层析技术，作者实现了与最大纠缠贝尔 singlet 态 93% 的保真度，证实了在单粒子层面实现高保真度纠缠检测。

ABSTRACT

We use a single trapped 40Ca+ ion as a resonant, polarization-sensitive absorber to detect and characterize the entanglement of tunable narrowband photon pairs from a spontaneous parametric down-conversion source. Single-photon absorption is marked by a quantum jump in the ion and heralded by coincident detection of the partner photon. For three polarization basis settings of absorption and detection of the herald, we find maximum coincidences always for orthogonal polarizations. The polarization entanglement is further evidenced by tomographic reconstruction of the biphoton quantum state.

研究动机与目标

• 开发一种可控的、在单粒子层面实现单光子与单个原子量子比特相互作用的接口，用于量子网络。
• 证明单个被捕获离子可作为纠缠光子对的偏振敏感探测器。
• 利用单离子探测器进行量子态层析，验证并表征 SPDC 光子对的偏振纠缠。
• 实现高保真度的单光子后选吸收，为未来量子存储器和量子中继器的应用铺平道路。

提出的方法

• 通过激光冷却和线性保罗阱捕获单个 40Ca+ 离子，使其作为入射光子的共振、偏振选择性吸收体。
• 通过周期性极化 KTP 晶体中的 II 类相位匹配自发参量下转换（SPDC）产生光子对，在 854 nm 波段生成偏振纠缠对。
• 一个光子（触发光子）通过两个级联的法布里-珀罗腔进行滤波，以匹配离子跃迁的线宽和频率，并由雪崩光电二极管探测。
• 未滤波的对偶光子通过高数值孔径物镜耦合至离子，其吸收通过触发光子的探测实现后选。
• 在磁场中通过光学泵浦制备离子态，实现在 H-V、D-A 和圆偏振基矢下的基于光子偏振的选择性吸收。
• 通过测量 16 种独立偏振基矢组合下的符合计数率，再对密度矩阵进行最大似然估计，完成量子态层析。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个被捕获的 40Ca+ 离子能否作为纠缠光子对的偏振敏感、共振探测器？
• RQ2 离子对单个光子的后选吸收是否能揭示 SPDC 对的潜在偏振纠缠特性？
• RQ3 重建的两光子量子态与理想贝尔 singlet 态的保真度是多少？
• RQ4 能否成功利用离子作为测量装置对双光子态进行量子层析？

主要发现

• 对于正交偏振态，离子的最大吸收速率为每分钟约 1 个符合，H-V 基矢下的可见度为 56(6)%（背景扣除前）。
• 在 D-A 基矢下，最大符合速率为 0.4/min，条纹可见度为 50(9)%（背景扣除前）。
• 重建的密度矩阵与最大纠缠贝尔 singlet 态 |Ψ⁻⟩ 的保真度为 0.93(4)。
• 保真度测得为 0.93(6)，形成纠缠的纠缠度为 0.86(11)，证实了强纠缠。
• 背景事件（主要来自丢失的后选和自发辐射）限制了可见度，但最小条纹始终与背景水平一致。
• 结果证实，被捕获的离子可作为高保真度、偏振选择性的纠缠光子探测器，实现对双光子系统的完整量子态层析。