用非周期極化定制量子態(tài)介紹

在上一篇文章中，我們談到了周期性極化如何提供準(zhǔn)相位匹配、它的各種優(yōu)點(diǎn)以及它對(duì)不同 SPDC 參數(shù)的控制。

SPDC 光被廣泛應(yīng)用于量子成像、量子通信和量子計(jì)算等領(lǐng)域。隨著這些應(yīng)用的成熟，對(duì)所生成量子態(tài)的特性（如純度和保真度）進(jìn)行更好、更強(qiáng)的控制變得越來(lái)越重要。例如，對(duì)于某些量子計(jì)算或通信應(yīng)用，人們希望生成特定的糾纏態(tài)，如貝爾態(tài)或簇態(tài)。然而，對(duì)于預(yù)示單光子應(yīng)用，人們希望 SPDC 過(guò)程能產(chǎn)生可分離態(tài)，因?yàn)閺募m纏對(duì)中預(yù)示出一個(gè)光子將導(dǎo)致單光子處于混合態(tài)。

實(shí)現(xiàn)這種控制的一種可行方法是通過(guò)進(jìn)一步定制極化、實(shí)現(xiàn)非周期性極化和定制占空比來(lái)制造更復(fù)雜的晶體。例如，我們可以制造一種啁啾光柵，在這種光柵中，極化間隔在晶體的入口面和末端面之間呈線性變化。這種方法已用于在 SPDC 光中產(chǎn)生超寬光譜，實(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的窄洪歐-曼德爾（HOM）傾角。

在通常情況下，泵浦脈沖所經(jīng)歷的非線性在泵浦進(jìn)入晶體時(shí)突然開啟，而在泵浦離開晶體時(shí)又突然關(guān)閉。這就導(dǎo)致產(chǎn)生的態(tài)的聯(lián)合頻譜振幅（JSA）出現(xiàn) sinc 邊葉。這意味著部分 SPDC 光子對(duì)是在不同波長(zhǎng)的組合下產(chǎn)生的，從而形成不同的量子態(tài)。由于要實(shí)現(xiàn)高能見度的量子干涉和疊加，我們需要物理特性明確的光子，因此我們需要找到一種工程方法，將生成的 SPDC 光子對(duì)集中到一個(gè)明確定義的量子態(tài)中。 這里展示的是一種特殊的疇工程方法，它可以對(duì)光譜進(jìn)行光柵化處理，消除 sinc sidelobes（圖 1）。

從較大的 HOM 凹陷能見度可以看出，這種光柵化晶體產(chǎn)生的狀態(tài)純度很高，難以區(qū)分。這種純度和不可分性對(duì)于依賴大量連續(xù)雙光子干涉事件的先進(jìn)光子技術(shù)至關(guān)重要。

圖 1 - 常規(guī)周期性極化會(huì)導(dǎo)致 sinc 相位匹配函數(shù)產(chǎn)生邊葉。使用優(yōu)化極化可以克服這一問(wèn)題，并獲得更純凈的相位匹配函數(shù)

在生成高維量子態(tài)和新的糾纏可能性時(shí)，對(duì)晶體光譜特性的控制具有特殊意義  。近年來(lái)，這種狀態(tài)因其更高的信息容量和更強(qiáng)的抗噪能力而日益受到關(guān)注 。它們有兩種類型：光譜糾纏和空間糾纏。與偏振編碼不同，這兩種情況都允許編碼高維信息，使每個(gè)光子都能攜帶更多信息。在頻譜中編碼的好處是，這種狀態(tài)幾乎不會(huì)發(fā)生退相干。空間域編碼之所以具有吸引力，是因?yàn)樗子诶贸墒斓目臻g光調(diào)制器技術(shù)進(jìn)行控制和操縱。在這兩種情況下，非周期性輪詢以及對(duì)刺激 SPDC 過(guò)程的泵浦光束進(jìn)行優(yōu)化，已被證明能夠更好地控制生成的狀態(tài)。

人們利用疇工程學(xué)以及寬帶脈沖泵的調(diào)制，生成了各種光譜編碼狀態(tài)，如貝爾態(tài)和雙氚態(tài)。使用這種方法，無(wú)需在生成過(guò)程后過(guò)濾（很少的）SPDC 光子，因?yàn)楸煤途w的整形已經(jīng)能夠直接生成所需的聯(lián)合頻譜。具體來(lái)說(shuō)，泵浦調(diào)制是通過(guò)一種簡(jiǎn)單的技術(shù)完成的，只使用無(wú)源光學(xué)元件，如雙折射楔和波板。一般來(lái)說(shuō)，使用衍射光柵和空間光調(diào)制器可以更靈活地形成泵浦光譜。

通過(guò)詳細(xì)的物理模型和機(jī)器學(xué)習(xí)框架，可以找到最佳的三維晶體結(jié)構(gòu)以及量身定制的泵形狀，從而產(chǎn)生任意的空間編碼狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，即通過(guò)對(duì)非線性晶體進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，在 Hermite-Gauss 基礎(chǔ)上生成空間貝爾狀態(tài)。

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