光子源偏振纠缠验证

光量子源偏振纠纷确认试验

1900年，普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。随后，爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。从1900年到1913年，可以称为量子论的早期。以后，玻尔、索末菲和其他许多物理学家为发展量子理论花了很大力气，却遇到了严重困难。要从根本上解决问题，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年就已由爱因斯坦提出，并于1916年和1923年先后得到密立根光电效应实验和康普顿X射线散射实验证实，而物质(zhi)粒(li)子的波(bo)粒(li)二象性却(que)是晚(wan)至1923年才由德布罗意提出。这以后经过(guo)海(hai)森堡(bao)，薛(xue)定谔、玻(bo)恩和狄拉克等人(ren)的开(kai)创性工作，终于在1925年到1928年才形成(cheng)完整的量子力学理论(lun)，与爱因(yin)斯坦相(xiang)对(dui)论(lun)并肩形成(cheng)现代物理学的两大理论(lun)支柱。

但针对于量子力学的完备性问题，爱因斯坦与波尔进行了十分长久的争论。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了EPR佯谬。定(ding)域实(shi)在论的(de)提出(chu)(chu)，让众(zhong)多科(ke)学(xue)家(jia)争论了(le)数十年。1964年，贝(bei)尔不(bu)(bu)等(deng)式(shi)(shi)的(de)提出(chu)(chu)，将这一理(li)论上的(de)问题转换到了(le)实(shi)验中可验证的(de)领(ling)域。引起了(le)科(ke)学(xue)家(jia)们的(de)广泛(fan)关注。为(wei)了(le)验证贝(bei)尔不(bu)(bu)等(deng)式(shi)(shi)的(de)正(zheng)确性，众(zhong)多科(ke)学(xue)家(jia)用不(bu)(bu)同的(de)方(fang)法进行了(le)实(shi)验，其(qi)中阿(a)兰·阿(a)斯佩、约(yue)翰·克劳泽、安东(dong)·塞林格三人贡献(xian)zui为(wei)突出(chu)(chu)，因此(ci)获(huo)(huo)得(de)了(le)于2022年获(huo)(huo)诺(nuo)贝(bei)尔物(wu)理(li)学(xue)奖，以表彰对纠缠(chan)光子实(shi)验、验证违反(fan)贝(bei)尔不(bu)(bu)等(deng)式(shi)(shi)和开创量子信息科(ke)学(xue)方(fang)面所做出(chu)(chu)的(de)贡献(xian)。

为了验证贝尔不等式，人们渐渐的将目光转向了如何产生纠缠光子对这个问题上，经过数十年的发展，目前主要产生纠缠光子的方法主要有自发参量下转换与自发四波混频等。此处我(wo)们主要(yao)介(jie)绍自发参量(liang)下转化。

自发参量下转换过程，指的是一束高频光（泵浦光，pump）入射到非线性晶体上，产生两束低频光的现象，这两束低频光分别称为信号光(signal)和(he)闲(xian)置(zhi)光(guang)(idler)。当(dang)信号光(guang)和(he)闲(xian)置(zhi)光(guang)初始均处于(yu)真空态时，则称为(wei)自发参量(liang)下转换(SPDC)。

一半具体先决必要生活生活条件参数下变换全过程提供实际上的位相配对具体先决必要生活生活条件，即卡路里守恒具体先决必要生活生活条件和动量 守恒具体先决必要生活生活条件。大家用下标p、s、i分开 表达泵浦光(pump)，预警光(signal)、空置光(idler)，则卡路里守恒具体先决必要生活生活条件和动量守恒具体先决必要生活生活条件分开 为:

表中，w说法频繁，k说法波失量。阐述非简并物理量下换算流程的之间使用哈密顿量为:

其中，χ(2)是二阶非线性极化率；和分别表示k光的光子产生和湮灭算符。

一样比喻，泵浦场具有，可用经曲详情(叫做物理量相当于),故此上式变的：

其(qi)中(zhong)，η∝χ(2)Ep，Ep为泵(beng)浦(pu)光的振幅。

实际的上，非简并自愿参数下变为整个过程还划分为三种。在第5类中，信息光和充分利用光的偏振放向上一致，且均与泵浦光的偏振放向上重直。在2类中，信息光和充分利用光的偏振放向上重直。中间区别应予以座谈会。

在一类SPDC中，数据信息光和充分利用光的偏振大角度上一样的，其间接效应哈密顿量可由式(4)指出。仍然位相一致好前提条件的必须，数据信息光和充分利用光的宣传大角度上各是位 于以泵浦光宣传大角度上为轴的共同锥体形的的不一致下方（在非简并状态下，数据信息光和充分利用光处于的不一致锥体形；在简并状态下，数据信息光和充分利用光处于一样的锥体形），如下图如下图所示1和图2如下图所示。

图1 第四类 SPDC光柱提醒图

不言而喻，在提供位相配比水平的的标准下，没有穷四种原则决定无线信号光和空置光的传递信息方向上，下列点光断面，如图所示2如图所示。

(a)散射载面(完全相同标记觉得充分满足位相识别前提条件的共轭光量子，中央圆上的俩个光量子的频繁 是简并的)

(b)位相配比状态图2 第4类SPDC 光线截面积和位相适配条件表示图

设信号光和闲置光初始处于状态，则t时刻的状态为：

将指数展开，并取到项，得：

设

将其与式(4)代入式(6)可获：

其中，μ=ηt，上式中略去了含的项。

上式是真空态和单光子态的纠缠态，可见利用第1类SPDC，可制备光子数态的纠缠态。

在第二类SPDC中，信号光和闲置光的偏振方向垂直。由于双折射效应，信号光和闲置光将沿不同心的圆锥传播，其中一束为正常波（o波），一束为异常波（e波），如图3所示。在圆锥截面的重叠处，信号光子和闲置光子处于偏振纠缠态，如图4所示。

图3 二、类SPDC激光束关心图

图4 第一类SPDC光柱截面积展示图

公司用H和V分辨说总体水平偏振和垂线偏振，则在频率特性类似下，阐述第二个类SPDC的之间角色哈密顿量为：

其中，与(k=s,i)分别表示产生H和V偏振的k模光子的光子产生算符。

下面讨论量子态的时间演化，对第二类SPDC，式(5)和式(6)的形式仍然成立，不过要用式(8)的哈密顿量，信号光和闲置光的初态也要作相应变化。设，则利用式(shi)(6)和式(shi)(8)可(ke)得：

理解一下的偏振机械泵态和偏振单电子束态，即：

则式(9)可写为：

其中的，二项归一化后的组织形式为：

它是zui大纠结的偏振纠结态。可看得出，利用率最后类SPDC，可化学合成单光波偏振纠结态，或许说，行生产偏振纠结的光波对。

图5 死缠烂打激光源TPS 1550

昊量光电du家代理的独立量子纠缠光子源TPS 1550，由法国Aurea公司推出。这是一台高性能、紧凑且易于使用的独立双光子源，该纠缠源基于台式设计，将温度可调的ppln波导晶体与波长稳定的激光源结合在一起，可在室温下使用。其仅用5mW的泵浦功率，在C波段产生正交偏振的频率纠缠光子，光子数超过250000光子/秒。其在周期性极化铌酸锂ppln波导(准相位匹配-QPM)中，通过自发参量下转换(SPDC)产生纠缠光子对，是量子信息技术的理想选择。通过USB接口和专有软件接口控制激光泵浦功率和晶体内部温度，以高精度调整相位匹配。我们(men)同时还提供DLL文件以方便您使用LabVIEW，C++，Visual basic等语言进行控(kong)制或二次开发(fa)。本(ben)次实(shi)验我们(men)将验证其(qi)偏振性。

除了必要的光子源，我们还需要单光子探测器与高性能计数器。我们本次使用的是同样由该公司推出的NIR单光子探测器模块OEM，以及由Swabian公司推出的时间相关计数器 TimeTagger。

NIR单光子探测器模块OEM为900 nm至1700 nm近红外波段的单光子探测带来了重大突破。其基于冷却InGaAs/InP 盖革模式单光子雪崩光电二极管技术，可执行“门控"(GM)和“自由运行"(FR)探测模式。针对您的需求，该单光子探测器提供了标准版与guan军版两个版本。guan军版具有低至800 cps的超低噪声、高达30 %的高校准量子效率、100 nszui小死时间、100 MHz外部触发器、150 ps的快速分辨率和极低脉冲。标准级提供了非常有价值和成本效益的解决方案。SPD_OEM_NIR设计精良，结构紧凑，接口先jin，使用远程控制软件，提供Python、C++、LabVIEW的DLL，非常容易集成到要求苛刻的分析仪器和量子系统中。时间相关计数器 TimeTagger全系列分辨率为1ps，抖动zui低可达2ps，死时间可达1.5ns，zui多支持18通道，是您进行量子光学、激光雷达、荧光寿命成像、单(dan)光子源表征等领域的(de)得力帮手。

图6 单激光测探器功能模块

图7 的时间有关的计数器器 Time Tagger Ultra

纠缠源、探测器与计数器的页面如下图所示。纠缠源可通过仪器自带的触摸屏进行衰减、晶体温度、开关等设置，操作简便。也可通过usb线连接至PC，在PC端进行设置。单光子探测器可实时观察到当前实验环境温度与探测值，并可简便修改Count rate、dead time、效率、探测模式等，我们还可以设置输出信号参数形式，以数字信号、模拟信号、NIM进行输出。我们选择输出数字信号进入计数器。计数器中有众多预设，如“Counter time trace"、“Bidirectional Histogram"、“Logarithmic Histogram"等，可(ke)供不同应用需(xu)求进行选择。我们(men)选用“Bidirectional Histogram"模(mo)式(shi)，并可(ke)对Bin宽，Bin数(shu)与采集方(fang)式(shi)等进行修改(gai)。

图8 死缠源布置大屏

图9 测探器图片软件游戏界面

图10 数值器pc软件表层

本次实验中我们设置光子源的衰减为5dB，探测器死时间为20μs，计数器Bin宽为500ps，本次实验还需要1550nm激光器，1550nm准直器，偏振片，半波片与四分之一波片等。利用这些(xie)器(qi)材，我们就可以着手开始验(yan)证其产(chan)生光子对的(de)偏振纠缠(chan)性。

图11 查证激光镭雕机的光路关心图

图12 实际上的激光切割光路

我们搭建了如图所示的光路，我们首先使用可见光源与功率计将准直器对准。然后更换为1550nm偏振光源与功率计，分步加入偏振片、半波片与四分之一波片并调整角度，zui后更换为光子源，单光子探测器与计数器，光子源的信号光与闲置光将分别经过光纤，通过四分之一波片、半波片与偏振片，zui后由探测器探测，由计数器进行符合。我们保持光路光路其他波片固定，通过转动其中一个半波片并固定，我们可以在计数器中看到符合计数产生了变化(hua)。随着(zhe)半波片的旋转，符合(he)计(ji)数也随之发(fa)生正弦(xian)变化(hua)。

此前实验室中，我老是将翻转视频半波片5度，比较固定后在计算器中收采10s，我将还有层面能够一两个适合计算，再翻转视频半波片5度，连续上面步骤之一，我可能够半波片有所差异层面下的适合计算。将适合计算记录查询后进行拟合曲线图图曲线图图拟合曲线图图，准确常见图，进来白色线为可能够一余弦变幻的曲线图图拟合曲线图图，进来散点为测评增值税额数据文件报告，黄白色线为拟合曲线图图曲线图图拟合曲线图图余弦曲线图图拟合曲线图图。我能判断出，增值税额数据文件报告点极其适合余弦曲线图图拟合曲线图图市场趋势。zui高值与zui低值差距为45°，进来zui高值一般选择818，zui低值一般选择14，可比性度约为98.2%，达到95%，证明信了其偏振纠结性。

图13 符合要求计算随方面呈余弦變化

借助这一次工作，公司运行了1550nm主波长的有关于光学材料配件、Aurea的单光量子检测器与Swabian的1ps时间间隔分辩率运算器，核算出TPS1550单光量子死皮赖脸源的差别度能达到98.2%，介绍信了其偏振死皮赖脸性。

借鉴文献综述：

[1] 物理性(xing)学史(shi)[M]

[2] 量(liang)子(zi)光电(dian)[M]

更好宝贝信息的英文保持连续昊量光電/欢迎词随时保持连续昊量光電对於昊量光电材料：西安昊量光电科技的原材料的原材料机器十分有限新公司是光电科技的原材料的原材料生产机械正规经销商商，生产机械也包括四种皮秒机光器、光电科技的原材料的原材料调配器、磁学自动测量机器、磁学pcb板等，在拆迁中遇到APP包含了的原材料制作、光网络通讯、微生物体医疗卫生、有效探析、国防军事、量子磁学、微生物体显微、物联网感知、皮秒机光加工制造等；均可为客人带来完整性的机器配置，指导，功能器硬件建设，系统的建设，系统的整合等功能。