[论文解读] Quantum and classical telecommunication channel multiplexing

Andreas Lenhard, José Brito+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Quantum optics and atomic interactions被引用 3

一句话总结

本文展示了在单根电信光纤中同时复用C波段的经典激光脉冲与经过频率转换的O波段单光子。通过自发参量下转换和量子频率转换，作者保持了后脉冲量子信号与经典信号之间的时间相关性，在20 km传输中实现了低背景、相关性良好的通信，延迟偏移43 ns，与理论预期一致。

ABSTRACT

We demonstrate the multiplexing of a classical coherent and a quantum state of light in a single telecommunciation fiber. For this purpose we make use of spontaneous parametric down conversion and quantum frequency conversion to generate photon pairs at 854 nm and the telecom O-band. The herald photon triggers a telecom C-band laser pulse. The telecom single photon and the laser pulse are combined and coupled to a standard telecom fiber. Low background time correlation of the classical and quantum signal behind the fiber shows successful telecommunication channel multiplexing.

研究动机与目标

• 在现有电信基础设施上，实现单根光纤中经典与量子通信信道的共存。
• 通过量子频率转换将量子存储器兼容波长（854 nm）转换至低损耗的O波段，以克服高损耗问题。
• 通过频率转换和光纤传输，保持量子与经典信号之间的时间相关性。
• 证明使用标准光纤和最小化改造实现量子网络节点互联的实际可行性。
• 验证通过门控探测和光谱滤波，可有效抑制串扰和探测器效应引起的背景噪声。

提出的方法

• 通过自发参量下转换（SPDC）在854 nm波段生成纠缠光子对，其中一束光子利用非线性波导频率转换至O波段（1310 nm）。
• 854 nm光子作为后脉冲信号，触发C波段（1550 nm）的30 ns矩形激光脉冲，作为经典时钟信号。
• 将频率转换后的O波段光子与C波段激光脉冲合并，并耦合进标准单模光纤（SMF-28e）。
• 使用超导纳米线单光子探测器（SSPDs）探测O波段信号，使用标准光电二极管探测C波段信号，实现时间相关性探测。
• 采用门控探测技术，将信号峰与背景及串扰分离，门控时间与预期符合窗口对齐。
• 通过测量不同光纤长度下O波段与C波段光子之间的时间延迟和脉冲展宽，表征光纤色散效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单根电信光纤中成功复用经典激光脉冲与频率转换后的单光子，同时保持其时间相关性？
• RQ2 光纤色散在多大程度上影响O波段与C波段信号的相对定时？是否可进行补偿或校正？
• RQ3 在标准光纤中传输时，量子频率转换能否保持SPDC光子的时间相关性？
• RQ4 探测器死时间和饱和效应如何影响观测到的符合峰形状与可见度？
• RQ5 在实际中，能否有效抑制激光脉冲泄漏至单光子通道引起的串扰背景？

主要发现

• 测得的O波段与C波段信号间延迟偏移为1.861 ± 0.004 ns/km，与基于光纤色散的理论预测完全一致。
• 在20 km光纤中，后脉冲O波段光子与C波段激光脉冲之间的时间相关峰得以保持，质心偏移43 ns，与该长度下预期的37.2 ns延迟一致。
• 20 km传输中，符合峰基底全宽为34 ns，与预期值32 ns（30 ns激光脉冲 + 20 km × 108 ps/km）非常接近。
• 符合迹线中出现的三峰结构归因于探测器死时间（约10 ns）及激光脉冲中多光子成分引起的饱和效应。
• 通过244 ns延迟光纤识别并隔离了激光脉冲泄漏至O波段探测通道的串扰，证实主信号峰具有明确区分性与相关性。
• 门控探测成功抑制了背景噪声，有效实现了真实信号与偶然符合及探测器伪影的分离。