俞 兵，金偉其，袁林光，楊鴻儒，吳 磊，馬世幫，尤 越，陳 娟

(1.北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

宣布式糾纏單光子源也稱概率性單光子源，即可以準(zhǔn)確預(yù)測單光子的產(chǎn)生，產(chǎn)生方法主要有參量下轉(zhuǎn)換法、四波混頻法等非線性光學(xué)方法。宣布式糾纏單光子源雖然不是確定性的單光子源，由于其宣布式的特點在光通訊、量子信息處理，以及超弱光子輻射探測等諸多應(yīng)用中都具有極為重要的實際意義[1～6]。

傳統(tǒng)的利用非線性晶體參量下轉(zhuǎn)換方法可以產(chǎn)生在時間、能量、動量、極化、角動量上相關(guān)的光子對，可將紅外波段的測量轉(zhuǎn)換為可見光波段的測量[7,8]。在原子系綜中利用四波混頻過程可以產(chǎn)生窄線寬糾纏光子對，同時利用電磁誘導(dǎo)透明的慢光效應(yīng)和三階非線性系數(shù)增強效應(yīng)可以動態(tài)調(diào)制糾纏光子對的波形，相比參量下轉(zhuǎn)換法具有線寬窄、相干時間長(μs量級)、可在較長時間間隔內(nèi)產(chǎn)生高質(zhì)量糾纏光子對、糾纏光子對產(chǎn)生時間間隔接近于均勻分布等優(yōu)點，使其成為目前可控單光子源的一個研究方向[9～12]。

本文設(shè)計了基于冷原子團的自發(fā)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生波長795 nm的宣布式糾纏單光子源，研究了背景輻射抑制與實時補償，高精度激光穩(wěn)頻，時序脈沖精密同步等獲得窄線寬、高質(zhì)量的單光子源的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，研究糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)方法，進一步探索建立了以單光子探測器/量子基準(zhǔn)為基礎(chǔ)的量子化光輻射溯源量傳體系，滿足f J(飛焦)至單光子量級、pW以下微弱功率能量溯源需求。

2 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生機理

宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生原理為冷原子團在耦合光和泵浦光的作用下產(chǎn)生自發(fā)四波混頻效應(yīng)，如圖1所示。其中耦合光ωc的波長為795 nm，泵浦光ωp的波長為780 nm，兩束光的絕對頻率穩(wěn)定度 1 MHz，總功率范圍為0 mW至20 mW可調(diào)。工作時耦合光與泵浦光同時相向照射在具有大光學(xué)厚度85Rb原子冷原子團上，在該過程中會輻射產(chǎn)生一對斯托克斯(Stokes)光子ωs和反斯托克斯(anti-Stokes)光子ωas， 該光子對具有在時間和頻率上量子糾纏的特性。其中anti-Stokes光子波長為795 nm，脈沖寬度單位100～1 000 nm。通過對Stokes光子ωs的探測，可準(zhǔn)確知道anti-Stokes光子ωas的產(chǎn)生情況，即宣布式糾纏單光子源。通過對泵浦光功率的調(diào)整，可以實現(xiàn)對單光子產(chǎn)生率的調(diào)整。

圖1 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生機理圖Fig.1 Generation mechanism of heralded

3 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置

宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置如圖2所示，主要包括銣原子二維磁光阱系統(tǒng)(MOT)、泵浦光和耦合光系統(tǒng)、精密時序控制系統(tǒng)、有效原子數(shù)和基態(tài)退相率測定系統(tǒng)。

圖2 宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置框圖Fig.2 The generating device of heralded entangled single-photon sources

圖2中的MOT用于產(chǎn)生二維線狀銣冷原子團，由梯度磁場系統(tǒng)、激光冷卻系統(tǒng)、回泵光系統(tǒng)和真空吸收池系統(tǒng)及銣原子釋放系統(tǒng)組成。泵浦光和耦合光系統(tǒng)主要用來形成自發(fā)四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生所需795 nm單光子，精密時序控制系統(tǒng)主要對系統(tǒng)中的所有激光和探測器進行時序上的精確控制。有效原子數(shù)和基態(tài)退相率測定系統(tǒng)用來測試決定產(chǎn)生的單光子質(zhì)量的冷原子團有效原子總數(shù)和基態(tài)退相率兩個關(guān)鍵參數(shù)[13]。宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光子對經(jīng)過1/4波片和偏振分光鏡(PBS)后，耦合進單模光纖(SMF)，經(jīng)SMF傳輸至單光子探測器(SPCM)進行采集分析。

宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置核心技術(shù)指標(biāo):平均光子數(shù)(糾纏光子對)產(chǎn)生率1～105個/s；相干時間測量范圍0.01～2 μs；相干時間測量不確定度U=5 ns (k=2)；量子二階相關(guān)函數(shù)測量范圍： 0～2， 量子二階相關(guān)函數(shù)測量不確定度U=0.1 (k=2)。

3.1 背景輻射抑制與實時補償

在宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置中，涉及到冷卻光，回泵光，泵浦光，耦合光和探測光等多束激光，同時環(huán)境中還存在大量雜散光子，為了獲得高質(zhì)量的單光子源，必須對這些背景雜散光進行有效的抑制。分別在單光子源的產(chǎn)生階段，傳播階段和探測階段這3個階段對背景輻射進行抑制與實時補償。

在單光子源產(chǎn)生階段，為了盡量減少冷卻光和回泵光對單光子的影響，在單光子產(chǎn)生時，通過精密時序控制電路將冷卻光和回泵光進行短暫關(guān)閉，達到屏蔽冷卻光和回泵光干擾的目的。

在單光子傳播階段，主要通過在泵浦光軸線偏離一定角度的方向收集雙光子對，將單光子耦合進入單模光纖并且采用提高原子池表面面型減少散射的方案來實現(xiàn)傳播途徑上屏蔽雜散光的影響。

在單光子探測階段，主要通過窄線寬濾光片配合時間選通技術(shù)實現(xiàn)在單光子探測階段對雜散光的有效屏蔽。

3.2 高精度激光穩(wěn)頻

在冷原子自發(fā)四波混頻效應(yīng)過程中，對冷卻光、回泵光、泵浦光、耦合光和探測光等激光的頻率穩(wěn)定度均有較高要求，為達到激光光源所需的高精度頻率穩(wěn)定性，采用種子光穿過如圖3所示的銣原子光譜吸收池, 產(chǎn)生飽和吸收信號作為鑒頻信號。

圖3 銣原子光譜吸收池Fig.3 The absorption cell of rubidium atomic spectrum

通過比例-積分控制電路對外腔腔長和種子激光的激勵電流進行反饋控制，將頻率鎖定在信噪比較高的交叉峰中，頻率穩(wěn)定度約1 MHz，從而實現(xiàn)激光頻率的高精度穩(wěn)定。

3.3 時序脈沖精密同步

為了使單光子產(chǎn)生過程持續(xù)高效率進行，需對裝置中各路激光和探測器進行高精度的開閉控制?？刂菩盘枙r序圖如圖4所示，典型的二維磁光阱工作時序以5 ms為周期，每個周期中4.5 ms的時間用在二維磁光阱中冷卻和陷俘足夠多的原子數(shù)，0.5 ms的時間窗口用來進行單光子產(chǎn)生或者冷原子團的參數(shù)的測定。因為不同電子設(shè)備之間依靠內(nèi)部時鐘信號之間會有累積誤差，裝置中所有的時序控制設(shè)備的時鐘參考信號均會來自于一臺獨立的原子鐘，其短期和長期穩(wěn)定度均可達到實驗所需的要求，時序同步精度小于1 μs[14]。

圖4 控制信號時序圖Fig.4 The sequence diagram of controlling signals

4 糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)

量子二階相關(guān)函數(shù)、平均光子數(shù)和相干時間是評價糾纏光子源性能指標(biāo)的核心參數(shù)，其中量子二階相關(guān)函數(shù)采用HBT干涉法進行校準(zhǔn)，平均光子數(shù)和相干時間在糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)裝置上采用比對法進行校準(zhǔn)。

糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)裝置組成如圖5所示。

圖5 糾纏光子源參數(shù)校準(zhǔn)裝置組成Fig.5 The parameter calibration device of entangled photon sources

該裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)糾纏光子源、平均光子數(shù)測量裝置、相干時間測量裝置以及被校準(zhǔn)單光子源等組成。通過糾纏光子源標(biāo)準(zhǔn)裝置與待校準(zhǔn)單光子源的平均光子數(shù)量相干時間測量值tS和tM的比值，得到標(biāo)準(zhǔn)糾纏光子源和被校準(zhǔn)單光子源測量結(jié)果之間的修正系數(shù)Ct：

(1)

5 基于光量子基準(zhǔn)的量值溯源體系

目前基于低溫輻射計的溯源體系已不能滿足量子光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)喂庾又羏J(飛焦)量級極微弱光輻射測量的需求。國際計量主要向溯源量子化、量傳扁平化方向發(fā)展[15，16]。

針對新型光電倍增管、雪崩二極管、超導(dǎo)單光子探測器量值溯源需求，以及量子通信、量子計算、單光子成像等領(lǐng)域?qū)O弱光輻射計量的迫切需求，探索基于光量子基準(zhǔn)的全新光輻射量值溯源體系，將大幅提升光輻射計量水平，減小極弱激光能量(以及極弱光輻射其他測量參數(shù))的測量不確定度。

圖6為基于光量子基準(zhǔn)的全新光輻射量值溯源體系圖。

圖6 基于光量子基準(zhǔn)的新光輻射量值溯源體系Fig.6 The new optical radiation traceability system based on the quantum basic standards

隨著外腔體激光器功率的提高，宣布式糾纏單光子源的可控單光子的產(chǎn)生率可以提高到107以上，根據(jù)光子的能量公式計算得到795 nm單個光子能量為2.499×10-19J，糾纏光子輻射源標(biāo)準(zhǔn)裝置1 s內(nèi)產(chǎn)生1～107個光子，能量范圍覆蓋單光子至pJ量級，平均光子數(shù)測量不確定度達到2%，滿足f J至單光子量級、pW以下微弱功率能量溯源需求。

6 結(jié) 論

基于冷原子團在耦合光和泵浦光作用下產(chǎn)生自發(fā)四波混頻效應(yīng)，設(shè)計了宣布式糾纏單光子源產(chǎn)生裝置，通過背景輻射抑制與實時補償、高精度激光穩(wěn)頻、時序脈沖精密同步獲得窄線寬、高質(zhì)量的單光子源，并探索建立了基于光量子基準(zhǔn)的全新光輻射量值溯源體系，可滿足fJ至單光子極弱能量測量及溯源需求。該體系建成后將極大提高探測器量子效率的測量精度，滿足量子領(lǐng)域探測器光子探測效率、暗計數(shù)、最大/最小計數(shù)率等參數(shù)計量溯源需求。