[论文解读] Fiber-Optic Sources of Quantum Entanglement

Prem Kumar, X. Li+4 more|ArXiv.org|Sep 20, 2002

Quantum Information and Cryptography参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于非线性光纤萨尼亚克干涉仪、使用两束正交偏振且时间延迟的脉冲泵浦标准通信光纤的全光纤偏振纠缠光子对源。通过利用由两组独立泵浦脉冲产生的信号光子与闲频光子的不可区分性，系统实现了超过90%可见度的双光子干涉，展示了适用于1.5 μm波段量子通信的高保真度量子纠缠。

ABSTRACT

We present a fiber-based source of polarization-entangled photon pairs that is well suited for quantum communication applications in the 1.5$μ$m band of standard telecommunication fiber. Quantum-correlated signal and idler photon pairs are produced when a nonlinear-fiber Sagnac interferometer is pumped in the anomalous-dispersion region of the fiber. Recently, we have demonstrated nonclassical properties of such photon pairs by using Geiger-mode InGaAs/InP avalanche photodiodes. Polarization entanglement in the photon pairs can be created by pumping the Sagnac interferometer with two orthogonally polarized pulses. In this case the parametrically scattered signal-idler photons yield biphoton interference with $>$90% visibility in coincidence detection, while no interference is observed in direct detection of either the signal or the idler photons.

研究动机与目标

• 开发一种与标准通信基础设施兼容的基于光纤的量子纠缠光子对源。
• 通过在全光纤配置中实现高模纯度，克服基于块体晶体源的局限性。
• 仅使用光纤器件和标准光纤非线性效应，实现偏振纠缠。
• 在实用且可扩展的平台上，通过高可见度双光子干涉验证非经典量子关联。

提出的方法

• 利用非线性光纤萨尼亚克干涉仪（NFSI）和色散位移光纤（DSF），通过非简并四波混频生成信号光子与闲频光子对。
• 采用重复频率为75.3 MHz、脉宽约3 ps的锁模泵浦源，以实现门控探测并抑制背景噪声。
• 通过两束正交偏振且时间延迟的脉冲泵浦萨尼亚克环路，使信号与闲频通道中产生不可区分的下转换事件。
• 使用自由空间双光栅光谱滤波器实现>100 dB的泵浦光到信号光的抑制，从而实现单光子水平探测。
• 采用门控模式的Geiger型InGaAs/InP雪崩光电二极管进行信号与闲频光子的符合探测。
• 通过调节两束泵浦脉冲之间的相对相位，同时监测信号与闲频臂的符合计数，测量干涉可见度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在完全基于光纤的系统中，仅使用标准通信光纤生成偏振纠缠光子对？
• RQ2 当在萨尼亚克干涉仪中使用两束正交偏振泵浦脉冲时，符合探测中可实现的干涉可见度达到何种水平？
• RQ3 是否可通过单光子水平的非经典关联测量验证所生成光子对的量子特性？
• RQ4 与块体晶体基源相比，全光纤设计在多模纯度保持方面表现如何？
• RQ5 该系统如何抑制经典背景噪声和偶然符合，以实现高保真度纠缠探测？

主要发现

• 当扫描两束正交偏振泵浦脉冲之间的相对相位时，系统在符合探测中实现了>90%的双光子干涉可见度。
• 单通道探测中未观察到信号或闲频计数率随相位变化，证实干涉仅发生在符合探测中，这是非经典行为的典型特征。
• 测得的符合计数率随泵浦相位呈正弦依赖关系，其周期为经典干涉条纹的一半，证实了双光子的量子干涉。
• 信号与闲频光子计数对泵浦光子数的二次依赖关系，证实四光子混频占主导地位，而非线性散射，且拟合的二次系数s₂ > s₁。
• 通过门控探测与光谱滤波，显著降低了偶然符合计数，使信噪比提升两个数量级。
• 该系统证明，仅使用光纤器件和标准非线性效应，即可在标准通信光纤中生成偏振纠缠，为可扩展的量子网络铺平道路。