光子源偏振糾纏驗證

電子束源偏振死纏確認實驗設計

1900年，普朗克為了克服經典理論解釋黑體輻射規律的困難，引入了能量子概念，為量子理論奠下了基石。隨后，愛因斯坦針對光電效應實驗與經典理論的矛盾，提出了光量子假說，并在固體比熱問題上成功地運用了能量子概念，為量子理論的發展打開了局面。1913年，玻爾在盧瑟福有核模型的基礎上運用量子化概念，對氫光譜作出了滿意的解釋，使量子論取得了初步勝利。從1900年到1913年，可以稱為量子論的早期。以后，玻爾、索末菲和其他許多物理學家為發展量子理論花了很大力氣，卻遇到了嚴重困難。要從根本上解決問題，只有待于新的思想，那就是“波粒二象性"。光的波粒二象性早在1905年和1916年就已由愛因斯坦提出，并于1916年和1923年先后得到密立根光電效應實驗和康普頓X射線散射實驗證實，而物質粒子的波粒二象性卻是晚至1923年才由德布羅意提出。這以后經過海森堡，薛定諤、玻恩和狄拉克等人的開創性工作，終于在1925年到1928年才形成完整的量子力學理論，與愛因斯坦相對論并肩形成現代物理學的兩大理論支柱。

但針對于量子力學的完備性問題，愛因斯坦與波爾進行了十分長久的爭論。1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了EPR佯謬。定域實在論的提出，讓眾多科學家爭論了數十年。1964年，貝爾不等式的提出，將這一理論上的問題轉換到了實驗中可驗證的領域。引起了科學家們的廣泛關注。為了驗證貝爾不等式的正確性，眾多科學家用不同的方法進行了實驗，其中阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤、安東·塞林格三人貢獻zui為突出，因此獲得了于2022年獲諾貝爾物理學獎，以表彰對糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學方面所做出的貢獻。

為了驗證貝爾不等式，人們漸漸的將目光轉向了如何產生糾纏光子對這個問題上，經過數十年的發展，目前主要產生糾纏光子的方法主要有自發參量下轉換與自發四波混頻等。此處我們主要介紹自發參量下轉化。

自發參量下轉換過程，指的是一束高頻光（泵浦光，pump）入射到非線性晶體上，產生兩束低頻光的現象，這兩束低頻光分別稱為信號光(signal)和閑置光(idler)。當信號光和閑置光初始均處于真空態時，則稱為自發參量下轉換(SPDC)。

應該規定要求頻率特性下改換步驟需要滿足在于的位相配備生活水平，即人體脂肪守恒生活水平和動量 守恒生活水平。各位用下標p、s、i不同數字代表泵浦光(pump)，信號燈光(signal)、放置光(idler)，則人體脂肪守恒生活水平和動量守恒生活水平不同為:

但其中，w提出聲音頻率，k提出波矢量素材。文章的話非簡并頻率特性下轉成的時候的完美效果哈密頓量為:

其中，χ(2)是二階非線性極化率；和分別表示k光的光子產生和湮滅算符。

通常說，泵浦場較差，能作經典的講述(被稱作頻率特性相似性),相當于上式變成：

其中，η∝χ(2)Ep，Ep為泵浦光的振幅。

真實上，非簡并參與頻率特性下轉變成流程還可以分為兩大類。在第四類中，走勢燈光和閑置物品資產光的偏振目標同一，且均與泵浦光的偏振目標斜面。在2、類中，走勢燈光和閑置物品資產光的偏振目標斜面。上面差別貴局研討。

在一類SPDC中，表現光和廢置資產光的偏振目標的方向上類似，其間接功效哈密頓量可由式(4)表現。由位相切換前提條件的追求，表現光和廢置資產光的傳遞信息目標的方向上分為位 于以泵浦光傳遞信息目標的方向上為軸的共同圓錐形體體的區別右側（在非簡并情形下，表現光和廢置資產光坐落于區別圓錐形體體；在簡并情形下，表現光和廢置資產光坐落于類似圓錐形體體），如下圖下圖1和圖2下圖。

圖1 第22類 SPDC光線示圖圖

明顯，在滿足需要位相相配前提條件的請求下，否有窮很多習慣決定4g信號光和閑置資產光的傳播推廣方面，這些激光束剖面，隨時2隨時。

(a)散射橫截面(類似波浪號表述實現位相配備因素的共軛光波，正中間圓上的兩位光波的的頻率是簡并的)

(b)位相配合好條件圖2 第3類SPDC 激光束斷面和位相配備因素示圖圖

設信號光和閑置光初始處于狀態，則t時刻的狀態為：

將指數展開，并取到項，得：

設

將其與式(4)代入式(6)能得：

其中，μ=ηt，上式中略去了含的項。

上式是真空態和單光子態的糾纏態，可見利用第1類SPDC，可制備光子數態的糾纏態。

在第二類SPDC中，信號光和閑置光的偏振方向垂直。由于雙折射效應，信號光和閑置光將沿不同心的圓錐傳播，其中一束為正常波（o波），一束為異常波（e波），如圖3所示。在圓錐截面的重疊處，信號光子和閑置光子處于偏振糾纏態，如圖4所示。

圖3 第二名類SPDC激光束表示圖

圖4 三類SPDC散射受力展示圖

大家用H和V區分表示法層次偏振和垂線偏振，則在物理量近似值下，分析第二步類SPDC的彼此用途哈密頓量為：

其中，與(k=s,i)分別表示產生H和V偏振的k模光子的光子產生算符。

下面討論量子態的時間演化，對第二類SPDC，式(5)和式(6)的形式仍然成立，不過要用式(8)的哈密頓量，信號光和閑置光的初態也要作相應變化。設，則利用式(6)和式(8)可得：

的定義下面的偏振真空度態和偏振單激光態，即：

則式(9)可寫為：

在這當中，2.項歸一化后的樣式為：

他是zui大死纏爛打的偏振死纏爛打態。屏蔽，使用二是類SPDC，可分離純化單電子束偏振死纏爛打態，還是說，還可以造成偏振死纏爛打的電子束對。

圖5 死纏爛打光量子源TPS 1550

昊量光電du家代理的獨立量子糾纏光子源TPS 1550，由法國Aurea公司推出。這是一臺高性能、緊湊且易于使用的獨立雙光子源，該糾纏源基于臺式設計，將溫度可調的ppln波導晶體與波長穩定的激光源結合在一起，可在室溫下使用。其僅用5mW的泵浦功率，在C波段產生正交偏振的頻率糾纏光子，光子數超過250000光子/秒。其在周期性極化鈮酸鋰ppln波導(準相位匹配-QPM)中，通過自發參量下轉換(SPDC)產生糾纏光子對，是量子信息技術的理想選擇。通過USB接口和專有軟件接口控制激光泵浦功率和晶體內部溫度，以高精度調整相位匹配。我們同時還提供DLL文件以方便您使用LabVIEW，C++，Visual basic等語言進行控制或二次開發。本次實驗我們將驗證其偏振性。

除了必要的光子源，我們還需要單光子探測器與高性能計數器。我們本次使用的是同樣由該公司推出的NIR單光子探測器模塊OEM，以及由Swabian公司推出的時間相關計數器 TimeTagger。

NIR單光子探測器模塊OEM為900 nm至1700 nm近紅外波段的單光子探測帶來了重大突破。其基于冷卻InGaAs/InP 蓋革模式單光子雪崩光電二極管技術，可執行“門控"(GM)和“自由運行"(FR)探測模式。針對您的需求，該單光子探測器提供了標準版與guan軍版兩個版本。guan軍版具有低至800 cps的超低噪聲、高達30 %的高校準量子效率、100 nszui小死時間、100 MHz外部觸發器、150 ps的快速分辨率和極低脈沖。標準級提供了非常有價值和成本效益的解決方案。SPD_OEM_NIR設計精良，結構緊湊，接口先jin，使用遠程控制軟件，提供Python、C++、LabVIEW的DLL，非常容易集成到要求苛刻的分析儀器和量子系統中。時間相關計數器 TimeTagger全系列分辨率為1ps，抖動zui低可達2ps，死時間可達1.5ns，zui多支持18通道，是您進行量子光學、激光雷達、熒光壽命成像、單光子源表征等領域的得力幫手。

圖6 單光波遙測器控制模塊

圖7 周期相關數值器 Time Tagger Ultra

糾纏源、探測器與計數器的頁面如下圖所示。糾纏源可通過儀器自帶的觸摸屏進行衰減、晶體溫度、開關等設置，操作簡便。也可通過usb線連接至PC，在PC端進行設置。單光子探測器可實時觀察到當前實驗環境溫度與探測值，并可簡便修改Count rate、dead time、效率、探測模式等，我們還可以設置輸出信號參數形式，以數字信號、模擬信號、NIM進行輸出。我們選擇輸出數字信號進入計數器。計數器中有眾多預設，如“Counter time trace"、“Bidirectional Histogram"、“Logarithmic Histogram"等，可供不同應用需求進行選擇。我們選用“Bidirectional Histogram"模式，并可對Bin寬，Bin數與采集方式等進行修改。

圖8 死皮賴臉源裝置頻幕

圖9 測探器手機app介面

圖10 篩選器軟件下載游戲界面

本次實驗中我們設置光子源的衰減為5dB，探測器死時間為20μs，計數器Bin寬為500ps，本次實驗還需要1550nm激光器，1550nm準直器，偏振片，半波片與四分之一波片等。利用這些器材，我們就可以著手開始驗證其產生光子對的偏振糾纏性。

圖11 安全驗證激光切割機的光路示圖圖

圖12 實際上激光光路

我們搭建了如圖所示的光路，我們首先使用可見光源與功率計將準直器對準。然后更換為1550nm偏振光源與功率計，分步加入偏振片、半波片與四分之一波片并調整角度，zui后更換為光子源，單光子探測器與計數器，光子源的信號光與閑置光將分別經過光纖，通過四分之一波片、半波片與偏振片，zui后由探測器探測，由計數器進行符合。我們保持光路光路其他波片固定，通過轉動其中一個半波片并固定，我們可以在計數器中看到符合計數產生了變化。隨著半波片的旋轉，符合計數也隨之發生正弦變化。

某次檢測中，讓公司每每將三維高速旋轉半波片5度，不變后在數值器中采樣10s，讓公司將在這斜度能夠是一個契合數值，再三維高速旋轉半波片5度，相似上面方法，讓公司可能夠半波片有差異 斜度下的契合數值。將契合數值記錄后進行線性擬合線性，主要看得出圖，在進來深藍色線為可能夠一余弦變化的線性美，在進來散點為檢測所述數據源資料，黃顏色線為線性擬合線性余弦線性美。讓公司能分辨出，所述數據源資料點十分契合余弦線性美趨向。zui高值與zui低值抗腐蝕性為45°，在進來zui高參考值818，zui低參考值14，差別度約為98.2%，已超95%，事實證明了其偏振糾紛性。

圖13 滿足計數法隨想法呈正弦交流電變動

在這次調查，讓我們應用了1550nm激發光譜的關于光學薄膜元器件、Aurea的單光波發現器與Swabian的1ps日子判定率估算器，估算出TPS1550單光波死皮賴臉源的可比性度大約98.2%，證明信了其偏振死皮賴臉性。

基準論文資料：

[1] 熱學學史[M]

[2] 量子電子光學[M]

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