利用局域準相位匹配技術操控糾纏雙光子模函式的研究

《利用局域準相位匹配技術操控糾纏雙光子模函式的研究》是依託東南大學，由喻小強擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：利用局域準相位匹配技術操控糾纏雙光子模函式的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：喻小強
• 依託單位：東南大學

中文摘要

光學超晶格糾纏源因為具有較高的下轉換效率、靈活的匹配方式並且易於波導集成，受到了廣泛的關注。近來的研究證實，光學超晶格中非線性係數調製還能夠直接裁剪糾纏雙光子的模函式的時空結構，這意味著光學超晶格糾纏源能夠直接操控雙光子時間和空間關聯特性，使其滿足量子通信和量子計算的需求。但到目前為止，操控方案還局限在傳統的倒格矢匹配框架下，具有較大的局限性。本項目擬引入局域準相位匹配技術，結合惠更斯-菲涅爾原理，通過直接操控糾纏光子的波前構建量子態的模函式。我們將深入的研究光學超晶格自發參量下轉換的動力學過程，考查模函式中時間-空間構型的耦合特徵，精確地給出模函式的時空結構與光學超晶格微結構的內在聯繫。在此基礎上，發展一套量子態模函式的調控技術以及相應的光學超晶格的設計方法，並製備相應的樣品加以實驗驗證。

結題摘要

隨著設計理念和疇工程技術的發展，基於準相位匹配的介電光學超晶格在量子光學領域也逐步引起了人們的關注，尤其是在糾纏光子的產生和操控方面。與傳統的雙折射匹配晶體相比，介電光學超晶格可以工作在從可見至太赫茲的超寬透明波段。更重要的是，準相位匹配技術提供了非常靈活的匹配方式，在光子偏振和匹配角度等關鍵參數上都可以突破傳統雙折射晶體的限制。而最近發展的局域準相位匹配技術，通過對光學超晶格鐵電疇的設計，直接製備出具有特定時空譜函式的光子糾纏態，從而實現了糾纏態的片上操控。本項目基於以上幾點內容，在一維和二維光學超晶格中開展了一系列的理論和實驗工作。針對糾纏源的功能集成要求，我們類比經典波動光學中的透鏡，設計並製備了橫向相位具有拋物型分布的周期極化鉭酸鋰光學超晶格。通過參量下轉換過程，將光學超晶格的橫向相位結構直接映射到光子糾纏態的空間譜函式中。此時，超晶格兼具糾纏源和透鏡功能。通過對糾纏光子的波前操控，在實驗上觀察到了糾纏光子對的關聯聚焦。另外，我們證實了疇結構的橫向周期性將導致泵浦光束的在特定位置的時候可以實現雙光子分束。此效應可以用來直接製備雙光子NOON態。在此基礎上，拋物型光學超晶格也被成功套用於糾纏雙光子無透鏡關聯成像。我們的研究成功將透鏡、分束器等關鍵光學元件集成到糾纏源中，向糾纏態的片上操控邁出了重要的一步。針對窄帶高通量的偏振糾纏源，我們提出了利用多重準相配匹配的方式，在一塊雙周期的一維光學超晶格中直接產生反向傳輸的偏振糾纏光子對。與之前的方案相比，具有不依賴於態投影並且適用於簡併和非簡併情況的優勢。我們也將多重準相位匹配的方案擴展到二維光學超晶格。利用六角點陣的兩個基矢同時補償兩個非共線的參量下轉換過程，可以產生beamlike型的糾纏光子對，並且突破了傳統雙折射匹配對延遲選擇的依賴。在項目的支持下，作為研究內容的拓展和延伸，我們也對關聯成像系統進行了理論研究。分析了關聯成像系統的成像特性和噪聲性質。總的來說，在準相位匹配調控光子糾纏態的研究中，我們進行了卓有成效的探索。其中一些工作對多功能糾纏源的發展具有一定的推動作用。