[论文解读] Generation of Pure-State Single-Photon Wavepackets by Conditional Preparation Based on Spontaneous Parametric Downconversion

Alfred B. U’Ren, Christine Silberhorn+5 more|ArXiv.org|Nov 2, 2006

Photonic and Optical Devices被引用 49

一句话总结

本文提出一种通过使用超快泵浦脉冲的自发参量下转换（PDC）条件制备，生成纯单光子波包的方法。通过利用双折射间隔片堆叠晶体来调控光谱和时间相关性，作者实现了光谱可分解的双光子态，从而实现无光谱相关性的赫尔德单光子，这对线性光学量子计算中的高保真度量子干涉至关重要。

ABSTRACT

We study the conditional preparation of single photons based on parametric downconversion, where the detection of one photon from a given pair heralds the existence of a single photon in the conjugate mode. We derive conditions on the modal characteristics of the photon pairs, which ensure that the conditionally prepared single photons are quantum-mechanically pure. We propose specific experimental techniques that yield photon pairs ideally suited for single-photon conditional preparation.

研究动机与目标

• 通过PDC系统中的条件制备实现量子力学意义上的纯单光子态。
• 消除光子对中光谱和空间相关性，以提高条件制备单光子的纯度。
• 开发实验技术——特别是使用双折射间隔片堆叠晶体——以实现光谱可分解的双光子态。
• 在不依赖损耗性滤波的情况下，实现在多源量子网络中的高可见度量子干涉。
• 通过提高多个光源同时产生光子的概率，支持可扩展的线性光学量子计算。

提出的方法

• 使用多模形式描述频率和横向动量的光子对，建模系统的完整量子态。
• 应用投影算符形式描述在检测到一对光子中一个光子时的条件制备单光子过程。
• 提出一种新技术：使用周期性极化晶体与双折射间隔片交替排列，以控制群速度失配并解耦光谱自由度。
• 证明联合强度的光谱可分解性是实现条件测量后获得纯单光子态的必要条件。
• 提出一种方法，通过工程化光谱振幅函数，使双光子态在频率和横向动量上可分离，从而确保纯度。
• 分析相位匹配和泵浦带宽在决定发射光子的光谱和时间结构中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否消除PDC生成的光子对中的光谱和时间相关性，以实现纯单光子态的制备？
• RQ2 何种实验配置可实现无光谱相关性的条件制备单光子，从而真正实现纯态？
• RQ3 如何控制泵浦光与下转换光子之间的群速度失配，以实现光谱可分解的双光子态？
• RQ4 使用多个晶体与双折射间隔片是否能实现更一般的光谱工程化双光子态？
• RQ5 史密斯分解在决定条件制备单光子纯度中的作用是什么？

主要发现

• 仅当双光子态在所有自由度（包括光谱和空间模式）上均无相关性时，PDC光子对的条件制备才能产生纯态。
• 联合强度的光谱可分解性是实现赫尔德后获得纯单光子波包的必要条件。
• 使用周期性极化晶体与双折射间隔片的序列可精确控制群速度失配，从而抑制光谱相关性。
• 通过调节晶体和间隔片的相对厚度，该技术可在无需光谱滤波的情况下实现光谱可分解的双光子态。
• 该方法将多个光源同时产生光子的概率提高了几个数量级，这对可扩展的量子网络至关重要。
• 该方法消除了对空间和光谱滤波的需求，否则这些滤波会因真空贡献而降低生成速率并损害保真度。