[论文解读] Direct Generation and Detection of Quantum Correlated Photons Four Octaves Apart

Yong Meng Sua, Heng Fan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2017

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 1

一句话总结

该论文通过室温下周期极化铌酸锂波导的自发参量下转换，首次实现了跨越四个八度（780 nm 和 3950 nm）的高非简并量子关联光子对的直接生成与检测。符合率与偶然率之比达54，证实了强烈的量子关联，为可见光与中红外量子系统的集成提供了可能，适用于传感和通信等先进应用。

ABSTRACT

Quantum correlated, highly non-degenerate photons can be used to synthesize disparate quantum nodes and link quantum processing over incompatible wavelengths, thereby constructing heterogeneous quantum systems for otherwise unattainable superior performance. Existing techniques for correlated photons have been concentrated in the visible and near-IR domains, with the photon pairs residing within one octave. Here, we demonstrate direct generation and detection of high-purity photon pairs at room temperature that are four octaves apart, one at 780 nm to match the rubidium D2 line, and the other at 3950 nm that falls in a transparent, low-scattering optical window for free space applications. The pairs are created via spontaneous parametric downconversion in a lithium niobate waveguide with specially designed geometry and periodic poling. The 780 nm photons are measured with a silicon avalanche photodiode, and the 3950 nm photons are measured with an upconversion photon detector using a similar waveguide, which attains 34% internal conversion efficiency. Quantum correlation measurement yields a high coincidence-to-accidental ratio of 54, which indicates the strong correlation with the extremely non-degenerate photon pairs. Our system bridges existing quantum technology to the challenging mid-IR regime, where unprecedented applications are expected in metrology, sensing, communications, medical diagnostics, and so on.

研究动机与目标

• 通过在四个八度波段内生成并检测高度非简并的光子对，弥合可见光与中红外量子技术之间的差距。
• 实现可在不兼容波长下运行的实用量子系统，尤其适用于中红外透明窗口的自由空间应用。
• 克服现有技术的局限性，后者大多局限于一个八度范围内，且仅在可见光/近红外波段工作。
• 在室温下实现高纯度光子对生成，以支持可扩展且鲁棒的量子系统。
• 展示利用波导中上转换技术实现高效中红外光子检测，内部转换效率高

提出的方法

• 采用具有特殊设计结构的周期极化铌酸锂波导，实现自发参量下转换（SPDC），在780 nm和3950 nm波段生成光子对。
• 使用硅雪崩光电二极管检测780 nm光子，利用其在可见光谱范围内的高灵敏度。
• 采用波导式上转换探测器检测3950 nm光子，实现34%的内部转换效率，将中红外光子转换为可探测的可见光子。
• 构建符合测量系统，通过比较符合计数与偶然计数来量化量子关联。
• 优化波导周期极化参数和相位匹配条件，以最大化相关光子对的生成效率与纯度。
• 保持室温运行，提升系统稳定性与实际部署的实用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用单一非线性介质，在四倍频程带宽内直接生成并检测量子关联光子对？
• RQ2 在室温下实现高纯度光子对生成是否可行，其中一个光子位于可见光（780 nm），另一个位于中红外（3950 nm）？
• RQ3 波导中上转换探测是否能实现足够高的效率，以在量子关联系统中实现对中红外光子的可靠测量？
• RQ4 此类高度非简并光子对之间的量子关联程度如何，以符合率与偶然率之比量化？
• RQ5 该系统能否实现可见光与中红外量子节点的实用化集成，用于异构量子网络？

主要发现

• 系统成功生成并检测了跨越四个八度的量子关联光子对，其中一个光子为780 nm，另一个为3950 nm。
• 符合率与偶然率之比达到54，表明高度非简并光子对之间存在强烈的量子关联。
• 上转换探测器实现了34%的内部转换效率，有效实现了中红外光子的探测。
• 整个系统在室温下运行，相较于低温替代方案，显著提升了实用性并降低了复杂度。
• 3950 nm光子位于自由空间中低散射、高透明窗口内，非常适合长距离量子通信与传感应用。
• 周期极化铌酸锂波导实现了极端波长差异下的高效相位匹配SPDC，展示了面向异构量子系统的可扩展平台。