[论文解读] Non-linear and quantum optics of a type II OPO containing a birefringent element Part 2 : bright entangled beams generation

Laurent Longchambon, Julien Laurat+2 more|ArXiv.org|Nov 19, 2003

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用 12

一句话总结

本文提出一种利用双折射波片实现相位锁定的Ⅱ型光学参量振荡器（OPO），通过正交偏振的信号光束与闲频光束之间的相位锁定，生成明亮且具有量子关联的光束。通过优化正交 quadrature 测量——特别是采用非正交 quadrature——系统显著增强了量子纠缠，表现为对不可分性判据的剧烈违反，其性能接近理想频率简并OPO，尽管存在相位扩散等实验挑战。

ABSTRACT

We describe theoretically the quantum properties of atype-II Optical Parametric Oscillator containing a birefringent plate which induces a linear coupling between the orthogonally polarized signal and idler beams and results in phase locking between these two beams. As in a classical OPO, the signal and idler waves show large quantum correlations which can be measured experimentally due to the phase locking between the two beams. We study the influence of the waveplate on the various criteria characterizing quantum correlations. We show in particular that the quantum correlations can be maximized by using optimized quadratures.

研究动机与目标

• 开发一种适用于量子信息应用的实用明亮、高强度纠缠光束源。
• 克服标准OPO中由于频率非简并性和相位扩散导致的相位反相关测量实验限制。
• 证明通过双折射波片实现的相位锁定可增强量子关联，并实现稳健的纠缠表征。
• 优化 quadrature 测量以最大化对纠缠判据的违反，特别是不可分性判据。
• 通过多种纠缠判据（EPR关联、不可分性及量子隐形传态保真度）验证系统的性能。

提出的方法

• 系统采用环形腔OPO结构，包含χ(2)非线性介质，并在晶体主轴方向以小角度ρ插入双折射波片。
• 围绕工作点对经典稳态解进行线性化，并在傅里叶域中使用输入-输出理论对量子涨落进行建模。
• 计算幅度 quadrature 差和相位 quadrature 和的噪声谱，以量化低于标准量子极限的量子噪声抑制。
• 波片在信号与闲频光束之间引入线性耦合，导致自洽相位锁定并稳定相对相位。
• 通过波片旋转场基，识别最优 quadrature，以最小化共轭 quadrature 和的方差。
• 利用Duan不可分性判据、量子隐形传态保真度和EPR推断误差量化纠缠，结果在不同波片角度和损耗参数下进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过双折射波片在Ⅱ型OPO中实现相位锁定，能否稳定信号与闲频光束之间的相对相位，从而实现可测量的量子相位反相关？
• RQ2 波片角度ρ如何影响量子关联强度及纠缠判据的违反程度？
• RQ3 经优化的 quadrature（非原始场 quadrature 的正交方向）能否显著增强对不可分性判据的违反？
• RQ4 在纠缠质量方面，该系统的性能在多大程度上接近理想频率简并OPO？
• RQ5 腔内损耗和输出耦合对量子关联的鲁棒性与可见性有何影响？

主要发现

• 双折射波片的使用实现了正交偏振信号与闲频光束之间的相位锁定，稳定了相对相位，使可测量的量子关联成为可能。
• 在幅度 quadrature 差和相位 quadrature 和中均观测到量子噪声抑制，证实了强量子关联的存在。
• 采用优化 quadrature 时，不可分性判据显著增强，其违反程度接近标准OPO的理想极限值2。
• 当波片角度ρ = 0.01 rad时，不可分性判据的违反程度与标准OPO极为接近，消除了由相位扩散引起的低频发散。
• 量子隐形传态保真度和EPR推断误差判据均证实了高质量纠缠，且性能在广泛的工作参数范围内保持稳健。
• 最优 quadrature 旋转角θ_opt通过解析推导得出，其取决于暗模的压缩特性和关联特性，从而实现最大纠缠检测。