本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，該裝置包括：單光子產(chǎn)生系統(tǒng)、泵浦光同步系統(tǒng)及量子變頻系統(tǒng)；其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進(jìn)行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)；所述泵浦光同步系統(tǒng)，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光；所述量子變頻系統(tǒng)，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進(jìn)行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。本發(fā)明專利技術(shù)公開的裝置具有兼容性較高且成本較低特點(diǎn)，并且產(chǎn)生單光子的純凈度也會更高。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
—種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置
本專利技術(shù)涉及量子通信領(lǐng)域，尤其涉及一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置。
技術(shù)介紹
在量子通信領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)全量子網(wǎng)絡(luò)是一個重要的目標(biāo)，全量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要包含了以下幾個部分，可以攜帶信息的量子光源，可以傳播信息的信道，可以儲存并發(fā)送信息的中繼，可以接收信息的終端。其中量子光源的設(shè)計是必不可少的環(huán)節(jié)，通常所說的量子光源包含了量子糾纏光源和單光子源。糾纏光源可以利用各種非線性晶體的參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生，其保真度和產(chǎn)生效率都可以做得很高。而單光子源通常是利用各種量子體系的發(fā)光來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在比較成熟的單光子源包含以下幾種體系:I)金剛石中的NV色心。高純金剛石是無色透明的，而自然界中的發(fā)現(xiàn)的金剛石有各種顏色，這是由于金剛石內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷造成的。在金剛石晶體中，大約有上百種發(fā)光缺陷，其中氮(N)是存在于自然金剛石中的主要雜質(zhì)，當(dāng)一個氮原子替代一個碳原子，并捕獲周圍一個空穴，會形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，我們稱之為NV色心(Nitrogen Vacancy center)。NV色心具有穩(wěn)定的能級結(jié)構(gòu)，可以發(fā)出熒光。由于空穴的存在，會使NV色心存在充電或者不充電的兩種形態(tài)，兩種色心都具有能級結(jié)構(gòu)可以發(fā)射熒光，但性質(zhì)不同。沒有充電的NV色心為NV0，零聲子線波長為575納米，而充電色心NV —的零聲子線波長637納米(對應(yīng)能量為1.945eV)。在一定條件下NVO和NV —可以相互轉(zhuǎn)換，尤其是使用高功率激光泵浦時，NVtl和NV一之間的轉(zhuǎn)換非常快。室溫下NV色心發(fā)射光譜可見譜比較寬(600mn-800mn)，這是因?yàn)榭昭ǖ拇嬖谑筃V色心具有較大的振動能量，從而導(dǎo)致較寬的聲子邊帶。與普通染料或者膠質(zhì)量子點(diǎn)，如CdSe (硒化鎘)，NV色心發(fā)光穩(wěn)定,無光學(xué)漂白(bleaching)和閃爍(blinking)的效應(yīng)，這使得其在長時間測量，穩(wěn)定的單光子源方面非常有用。同樣NV色心的吸收譜也比較寬，使用波長大于500納米的激光都可以比較有效的激發(fā)。NV色心在室溫下很寬的發(fā)射譜，導(dǎo)致光源喪失相干性，對一些應(yīng)用不利；但是低溫條件可以使NV色心的大部分能量都集中在零聲子線上，具有很窄的譜寬。總結(jié)來說，NV色心的缺點(diǎn)在于能級壽命比較長(幾十納秒)，所以發(fā)光效率并不是非常出眾。還有就是發(fā)光波長固定，不利于量子通信擴(kuò)展性需求。2)單個束縛原子。單個原子體系由于所處的環(huán)境非常純凈，沒有其他缺陷或聲子的影響，單光子發(fā)射的純凈度很高，而且原子的能級壽命有的可以很短，因而發(fā)光效率也很高。但是自然界的中的原子都是以大團(tuán)原子簇的形式出現(xiàn)的，想要捕獲單個原子并穩(wěn)定的束縛住它是非常困難的。現(xiàn)在一般采用磁光阱的方法來產(chǎn)生單原子光源。磁光阱是一種囚禁中性原子的有效手段。它由三對兩兩相互垂直.具有特定偏振組態(tài)井且負(fù)失諧的對射激光束形成的三維空間駐波場和反向亥姆雹誼線圈產(chǎn)生的梯度磁場構(gòu)成。磁場的零點(diǎn)與光場的中心重合，負(fù)失諧的激光對原子產(chǎn)生阻尼。梯度磁場與激光的偏振相結(jié)合產(chǎn)生了對原子的束縛。這樣就在空間對中性原子構(gòu)成了一個帶阻尼作用的簡諧勢阱。可以看出想要制備單原子單光子源，需要構(gòu)建一個非常昂貴和復(fù)雜的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)毫無可集成性可言。而且這種束縛是非常不穩(wěn)定的，原子很快就會跑掉，需要從新操作捕獲新的單原子。3)衰減激光。由于一直缺乏穩(wěn)定可靠并且效率高的通訊波段(1550納米)單光子源，現(xiàn)在的量子通信中一般使用衰減激光替代。實(shí)際使用中就是把經(jīng)典激光脈沖衰減到平均每個脈沖只有0.1個光子級別，從而大部分激光脈沖是不含光子，只有個別脈沖含有I個光子，還有更少量的含有多個光子。激光脈沖處于相干態(tài)上，也就是說光子數(shù)分布為泊松分布，而激光的衰減是線性的，衰減后的光脈沖光子數(shù)分布依然為泊松分布，分布性質(zhì)沒有任何改變。而單光子態(tài)是一種亞泊松分布，所以通過衰減得到的量子光源不是真正的單光子源，給量子通信中的安全性帶來隱患。另一方面，量子變頻技術(shù)這些年得到了很大的發(fā)展。所謂的量子變頻，就是在改變輸出光子頻率的同時，保持輸入之前的量子態(tài)。目前為止，比較成熟的量子變頻技術(shù)是基于原子系綜的頻率變換，即原子吸收一個光子，發(fā)射出另一個頻率不同的光子。這種方法的缺點(diǎn)是輸入輸出光子的頻率必須和原子的能級吻合，同時線寬也必須很窄。另外，為了解決單光子長距離光纖通訊問題，某一科研小組最先實(shí)現(xiàn)了把量子點(diǎn)發(fā)射的單光子頻率轉(zhuǎn)換到1550納米通訊波段。在他們的方案中，量子點(diǎn)的發(fā)光在911納米。為了把它轉(zhuǎn)換到1560納米，他們使用了一束和量子點(diǎn)發(fā)光相同位置的鎖模脈沖激光與另一束1560納米的連續(xù)激光通過周期性極化鈮酸鋰晶體差頻后得到了一束2.2微米的泵浦光，再用這束泵浦光與911納米的單光子在周期性極化鈮酸鋰晶體波導(dǎo)中相互作用，把單光子的波長轉(zhuǎn)換到了 1560納米。另一個小組通過搭建一套光學(xué)參量放大系統(tǒng)，把一束很強(qiáng)的532納米連續(xù)激光轉(zhuǎn)換到了 1550納米，然后作為泵浦光把量子點(diǎn)發(fā)出的711納米的單光子轉(zhuǎn)換到了 1313納米。但是，由于該科研小組應(yīng)用到了多套昂貴和復(fù)雜的大型激光系統(tǒng)，所以對于實(shí)際量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來說成本較高，小型化和集成性也很差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，其兼容性較高且成本較低。本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，該裝置包括:單光子產(chǎn)生系統(tǒng)、泵浦光同步系統(tǒng)及量子變頻系統(tǒng)；其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進(jìn)行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)；所述泵浦光同步系統(tǒng)，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光；所述量子變頻系統(tǒng)，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進(jìn)行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。由上述本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案可以看出，將單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)出的單光子脈沖與另一束由泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)出的泵浦光在量子變頻系統(tǒng)中產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生1550納米通訊波段的單光子，進(jìn)而獲得可波分復(fù)用的單光子源；該上述過程所采用的設(shè)備電光器件成本低且可集成性好，與現(xiàn)有的光纖通訊系統(tǒng)有非常良好的兼容性，得到單光子源的純凈度更高。【附圖說明】為了更清楚地說明本專利技術(shù)實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術(shù)的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本專利技術(shù)實(shí)施例一提供的一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置的示意圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例二提供的一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置的工作示意圖；圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例二提供的一種775納米量子點(diǎn)的熒光譜線的示意圖；圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例二提供的一種周期性極化鈮酸鋰變頻晶體結(jié)構(gòu)的的示意圖；圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例二提供的一種泵浦光強(qiáng)度與轉(zhuǎn)換效率和信噪比的關(guān)系的示意圖；【具體實(shí)施方式】下面結(jié)合本專利技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對本專利技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本專利技術(shù)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本專利技術(shù)的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，其特征在于，該裝置包括：單光子產(chǎn)生系統(tǒng)、泵浦光同步系統(tǒng)及量子變頻系統(tǒng)；其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進(jìn)行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)；所述泵浦光同步系統(tǒng)，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光；所述量子變頻系統(tǒng)，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進(jìn)行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種可波分復(fù)用單光子源的產(chǎn)生裝置，其特征在于，該裝置包括:單光子產(chǎn)生系統(tǒng)、泵浦光同步系統(tǒng)及量子變頻系統(tǒng)； 其中，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)，用于將產(chǎn)生的激光脈沖進(jìn)行分束處理后，一束輸入至所述泵浦光同步系統(tǒng)，另一束轉(zhuǎn)換為單光子脈沖后輸入至量子變頻系統(tǒng)； 所述泵浦光同步系統(tǒng)，用于產(chǎn)生與所述單光子脈沖同步的泵浦光； 所述量子變頻系統(tǒng)，用于對所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)送的單光子脈沖及所述泵浦光同步系統(tǒng)發(fā)送的泵浦光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換處理，產(chǎn)生通訊波段的單光子源，并對所述通訊波段的單光子源進(jìn)行波分復(fù)用處理，獲得可波分復(fù)用單光子源。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述單光子產(chǎn)生系統(tǒng)包括:脈沖激光器、光學(xué)分束器、第一顯微物鏡、低溫光學(xué)腔與第二顯微物鏡； 所述脈沖激光器，用于產(chǎn)生預(yù)定波長的激光脈沖； 光學(xué)分束器，用于對所述激光脈沖進(jìn)行分束處理； 所述第一顯微物鏡，用于將光學(xué)分束器反射的預(yù)定波長激光脈沖聚焦在所述低溫光學(xué)腔中的量子點(diǎn)樣品上； 所述第二顯微物鏡，用于將所述量子點(diǎn)樣品發(fā)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳耕，李傳鋒，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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