周期(qī)性(xìng)極化KTP利用自發(fā)參量(liáng)下轉換產(chǎn)生糾(jiū)纏光子(zǐ)對(duì)綜述

  糾纏光子對(duì)是量子(zǐ)光學實驗(yàn)的關鍵資源，而利用在(zài)非(fēi)綫(xiàn)性晶體中的(dí)自(zì)發參量下轉換(huàn)（SPDC）是產生糾(jiū)纏光子對的(dí)一個廣(guǎng)泛(fàn)采用的方法
。目(mù)前自發(fā)參量下轉換光(guāng)子(zǐ)糾(jiū)纏對(duì)發生(shēng)器(qì)的(dí)已經做(zuò)到高(gāo)亮度(dù)，高抗(kàng)幹(gān)擾(rǎo)，高(gāo)緊湊(còu)度
。

非中心(xīn)對稱晶(jīng)體中PPKTP的(dí)自發(fā)參(cān)量下(xià)轉換（SPDC）是一個(gè)二階非綫(xiàn)性(xìng)過程(chéng)，它將(jiāng)一個短波(bō)長(cháng)高能光子轉(zhuǎn)化為(wéi)一(yī)對長波長(cháng)低能光(guāng)子(即(jí)參(cān)量下轉(zhuǎn)換(huàn)），我們通(tōng)常將這(zhè)對低(dī)能量(liáng)光子其(qí)一命名(míng)為信(xìn)號光子(Signal)和(hé)另外一(yī)個命(mìng)名(míng)為閒(xián)散(sàn)光(guāng)子（Idler），這對光子可以(yǐ)在不同的自由度(dù)上(shàng)表(biǎo)現(xiàn)出糾纏
。

圖一. PPKTP晶體

PPKTP其中(zhōng)的PP意思是(shì)周期性極(jí)化(huà)，具(jù)體來說是(shì)通過(guò)施加高壓(yā)電場(cháng)使帶電(diàn)磁性的(dí)晶(jīng)體特(tè)定(dìng)區域內的(dí)極(jí)性產生的(dí)翻轉，當通過(guò)一(yī)定(dìng)的工藝(yì)實(shí)現了穩定性的周期翻轉(zhuǎn)後，就在晶體內引(yǐn)入(rù)了非(fēi)綫性(xìng)極(jí)化率(shuài)的(dí)周期性(xìng)的階躍(yuè)變(biàn)化，從(cóng)而(ér)可以(yǐ)實現準相(xiāng)位(wèi)匹(pǐ)配(QPM : Quasi Phase Matching）
。根據準(zhǔn)相(xiāng)位匹(pǐ)配(pèi)理(lǐ)論(lùn)，通過對(duì)晶體(tǐ)的非(fēi)綫性極化率的(dí)周(zhōu)期(qī)性調製(zhì)來補償(cháng)非綫(xiàn)性(xìng)頻率變(biàn)換過程(chéng)中(zhōng)因色(sè)散引(yǐn)起(qǐ)的(dí)基波和諧波之(zhī)間的波矢失(shī)配(pèi)，可以獲得非綫性(xìng)光學(xué)效應(yīng)的有(yǒu)效增強
。

PPKTP擁(yōng)有以(yǐ)下突出的優點：

l 更高(gāo)的非(fēi)綫(xiàn)性(xìng)轉換效率，具(jù)體到本應用(yòng)適(shì)合於(yú)產生(shēng)高亮(liàng)度量(liáng)子(zǐ)糾纏光子(zǐ)對

l 更(gēng)大的器(qì)件接收角，方便(biàn)耦合泵浦(pǔ)源（可接(jiē)駁半導(dǎo)體激光(guāng)泵(bèng)浦源）

l 幾(jī)乎(hū)消除了去離角(jiǎo)效(xiào)應(yīng)，方便高(gāo)效(xiào)穩(wěn)定的耦(ǒu)合(hé)輸出

簡(jiǎn)而(ér)言(yán)之(zhī)，對(duì)於量子科學利(lì)用(yòng)自(zì)發參量下轉(zhuǎn)換(huàn)（SPDC）產(chǎn)生糾纏光(guāng)子(zǐ)對的需要(yào)而(ér)言(yán)，PPKTP周(zhōu)期性極化(huà)工藝可以給實(shí)驗(yàn)者提(tí)供(gōng)一個(gè)效率高(gāo)，輸(shū)入輸(shū)出耦合方便(biàn)的糾(jiū)纏光子對轉(zhuǎn)化(huà)器(qì)件，可能(néng)難點是(shì)牽涉到一係列相當高難度的工藝(yì)流程，而這正是以(yǐ)色(sè)列(liè)Raicol公司的(dí)強項所在
。

KTP即磷酸(suān)鈦鉀（KTiOPO₄）是(shì)一種(zhǒng)常用(yòng)的非綫性(xìng)材料(liào)，KTP有三個(gè)非零(líng)二階張量係(xì)數(shù). 允許適(shì)當選擇極(jí)化(huà)周期(qī)來實現三(sān)種(zhǒng)形式(shì)的準相(xiāng)位匹(pǐ)配,包括(kuò)0型，I型(xíng)和II型(xíng)； 這三(sān)種構型(xíng)的光譜特性和(hé)轉(zhuǎn)化(huà)效率(shuài)有(yǒu)很大(dà)不同
。通常(cháng)而(ér)言0型PPKTP具(jù)備最大(dà)非綫性係數，而另(lìng)外兩個(gè)構型I型(xíng)和II型(xíng)效率稍低（且I和(hé)II型效率基(jī)本相(xiāng)同）；0型和I型帶(dài)寬都較(jiào)寬且(qiě)表(biǎo)現出(chū)較高的(dí)溫度敏感度；而(ér)相對而言，II型(xíng)架(jià)構(gòu)係(xì)統表現出較(jiào)窄(zhǎi)帶寬，低溫度敏感度(dù)
。基於以上(shàng)的(dí)特(tè)點(diǎn)，我們發現(xiàn)，I型架構(gòu)在效率(shuài)，帶寬均(jūn)沒有(yǒu)優勢；所(suǒ)以在(zài)以後(hòu)的(dí)實際(jì)應用(yòng)環節，我(wǒ)們(mén)就(jiù)隻(zhī)在0型和II型架(jià)構間進行(háng)比較與(yǔ)選(xuǎn)擇了(liǎo)
。

下麵具(jù)體做一個實驗(yàn)麵對(duì)麵(miàn)比較(jiào)0型和II型PPKTP晶(jīng)體自發參量下轉換(huàn)光子(zǐ)輸出有(yǒu)效光子對(duì)做一(yī)些討論

對於(yú)自發(fā)參量下(xià)轉(zhuǎn)換光(guāng)子輸出(chū)光(guāng)譜特性的(dí)檢測：

 為評估(gū)溫(wēn)度穩定(dìng)性(xìng)，采用(yòng)光(guāng)譜分(fēn)辨率為0.1nm的單光子光譜儀，記錄了在TEC溫控(kòng)台在(zài)20 ^oC到(dào)50 ^oC範圍(wéi)內(nèi)溫度調諧(xié)後(hòu)，自發參(cān)量下轉(zhuǎn)換光子(zǐ)輸出中(zhōng)心波(bō)長和光譜帶(dài)寬特性
。

實驗圖例證

圖(tú)二.PPKTP 0型與(yǔ)II型自發參(cān)量(liáng)下(xià)轉換表(biǎo)現(xiàn)

參考(kǎo)圖(tú)二(èr)所示(shì)，歸納了(liǎo)規律如下(xià)表

圖(tú)三. 左(zuǒ)：變溫(wēn)對(duì)SPDC輻(fú)射(shè)中(zhōng)心(xīn)波(bō)長的(dí)影響(xiǎng)，右(yòu)：變(biàn)溫(wēn)對SPDC輻射光譜(pǔ)帶寬的(dí)影(yǐng)響

參(cān)考圖三(sān)更能清(qīng)晰(xī)的說明(míng)溫(wēn)度(dù)調諧(xié)下(xià)，自發參量(liáng)下(xià)轉換輻(fú)射(shè)光(guāng)中心(xīn)波長(cháng)和帶寬的(dí)變(biàn)化(huà)趨勢(shì)
。

自發參量下轉換輻射光譜帶(dài)寬主要(yào)取決(jué)於(yú)PPKTP晶體(tǐ)的(dí)長度和信號光與閒散光的(dí)群速(sù)度(dù)失配
。一般而言，簡並度越高(gāo)（即(jí)輸出(chū)光子對的中心波長(cháng)越接近(jìn)），自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換光譜越寬
。這(zhè)個特點(diǎn)在0型PPKTP晶體(tǐ)上尤(yóu)其明顯，0型PPKTP晶(jīng)體在簡並輸出時光譜帶(dài)寬最寬
。應當講(jiǎng)0型簡並(bìng)輸(shū)出的(dí)寬(kuān)光譜過寬(kuān)帶寬對(duì)於諸(zhū)如(rú)量子密(mì)碼一類的應(yīng)用(yòng)有(yǒu)一(yī)定(dìng)不(bù)利(lì)，但寬(kuān)光譜的(dí)特(tè)點在實(shí)現超短的時間相(xiāng)關(guān)性(xìng)上還是(shì)有(yǒu)利的
。

對於II型PPKTP的自(zì)發(fā)參量下轉(zhuǎn)換輻(fú)射過(guò)程，信(xìn)號光(guāng)和(hé)閒散(sàn)光(guāng)的偏振輸出是(shì)正交的，其群(qún)速(sù)度(dù)在(zài)波(bō)長簡並度上已經有明(míng)顯(xiǎn)的差異，導(dǎo)致(zhì)了(liǎo)相對較(jiào)小(xiǎo)的光(guāng)譜(pǔ)帶(dài)寬，如(rú)果某(mǒu)應(yīng)用需要相對窄的(dí)輸(shū)出光譜帶寬(kuān)則可以(yǐ)考(kǎo)慮
。

對(duì)於(yú)PPKTP自發參量下(xià)轉換(huàn)光(guāng)子輸(shū)出有(yǒu)效(xiào)光子(zǐ)對產(chǎn)生效率的討(tǎo)論(lùn)：

圖四(sì)
。更(gēng)小(xiǎo)的(dí)光(guāng)腰意味著(zhuó)更(gēng)大的發散角

一般而言，進(jìn)入PPKTP晶體(tǐ)的泵浦激光(guāng)如果(guǒ)把(bǎ)光(guāng)腰聚焦得(dé)更(gēng)小的話，會提(tí)升在PPKTP晶(jīng)體內產(chǎn)生光(guāng)子(zǐ)對(duì)的(dí)幾(jī)率（更高(gāo)的泵浦(pǔ)功率(shuài)密度意味(wèi)著更強的(dí)非綫(xiàn)性效(xiào)應）；但是更小的(dí)光腰往(wǎng)往(wǎng)意味(wèi)著相(xiāng)對更低的(dí)宣(xuān)布效(xiào)率(shuài)heralding efficiency（所(suǒ)謂宣布(bù)效率(shuài)指(zhǐ)的(dí)是產(chǎn)生的光(guāng)子(zǐ)對最終(zhōng)能(néng)被係(xì)統探測(cè)器(qì)真(zhēn)正檢(jiǎn)測(cè)到(dào)的(dí)幾率(shuài)；我(wǒ)們(mén)認為大致的原因來源於為了(liǎo)獲得更小的光腰一(yī)般(bān)導(dǎo)致(zhì)更大發散角，而(ér)大(dà)的發(fā)散角(jiǎo)意(yì)味(wèi)著後續收(shōu)集(jí)光路(lù)不(bù)好設計與(yǔ)建造(zào)，進而導(dǎo)致收集效率降(jiàng)低(dī)，最(zuì)後(hòu)導(dǎo)致(zhì)宣(xuān)布(bù)效率即(jí)總探測(cè)效率(shuài)降(jiàng)低）
。

所以說，實(shí)驗者(zhě)會(huì)在一個(gè)權衡後(hòu)選擇相對較(jiào)好(hǎo)的光腰大小(xiǎo)
。我們在(zài)實驗中選擇了泵(bèng)浦(pǔ)激(jī)光光腰聚(jù)焦至(zhì)150um，耦(ǒu)合光纖芯徑(jìng)取80um，相對比較(jiào)吻(wěn)合本文20mm長度的PPKTP晶體
。

圖五. 同(tóng)樣泵(bèng)浦源(yuán)激(jī)發(fā)下，調(tiáo)變溫度(dù)時0型(xíng)（藍色(sè)）和II型(xíng)（橙色(sè)）PPKTP輻射的光(guāng)子對亮度(dù)和光譜亮度(dù)

注(zhù)：觀察(chá)圖五(wǔ)往往(wǎng)會(huì)犯(fàn)一(yī)個重(zhòng)大錯(cuò)誤是：忽略了(liǎo)不(bù)同(tóng)顏色坐標軸的量綱
。

請注意左邊藍色縱(zòng)軸(zhóu)標(biāo)注的(dí)0型(xíng)PPKTP光子(zǐ)對輻射量綱(gāng)是x10⁶（即百(bǎi)萬(wàn)光子(zǐ)對），右邊(biān)橙(chéng)色(sè)縱軸標(biāo)注的II型PPKTP光(guāng)子對(duì)輻射量(liáng)綱(gāng)是x10⁴（即萬(wàn)光子對(duì)）,藍色和(hé)黃色(sè)數據交叉(chā)重疊的(dí)部分不(bù)是(shì)數值相(xiāng)同，而是仍然相(xiāng)差100倍(bèi)！之所以把這(zhè)兩個(gè)不(bù)同(tóng)光強量綱的圖片合二(èr)為一的原因(yīn)僅僅是為(wéi)了讀者(zhě)更快(kuài)的理(lǐ)解調節溫(wēn)度下(xià)兩型晶(jīng)體的表(biǎo)現趨勢
。

從曲綫(xiàn)觀(guān)察，II型PPKTP晶(jīng)體（兩條(tiáo)橙色(sè)曲綫(xiàn)）的光(guāng)子對(duì)輻射(shè)亮(liàng)度（光子對(duì)/每毫瓦泵(bèng)浦功率(shuài))和光子對光(guāng)譜輻射(shè)度（光子對/每(měi)毫瓦泵(bèng)浦(pǔ)功(gōng)率(shuài)/nm)與晶體溫度(dù)調節(jié)相關性(xìng)不(bù)高(gāo)，而0型PPKTP晶體（兩條藍色曲綫(xiàn)）在簡並(bìng)輸出(chū)中心波(bō)長810nm（約26.5 ^oC時）光(guāng)子對亮度最高；但(dàn)是(shì)由於此時(shí)輻(fú)射(shè)光(guāng)譜帶寬(kuān)很寬(kuān)（參(cān)見圖二(èr)）；其光(guāng)子(zǐ)對(duì)光譜(pǔ)亮(liàng)度（光子(zǐ)對/每毫瓦(wǎ)泵浦(pǔ)功(gōng)率(shuài)/nm)比較低，隨著(zhuó)溫(wēn)度調(tiáo)變（伴(bàn)隨著非簡並度提升(shēng)，即輸(shū)出光(guāng)子(zǐ)對信號光和閒(xián)散光中心(xīn)波長差異(yì)加大），雖(suī)然(rán)光子對總(zǒng)亮度稍有減小，但(dàn)是光譜(pǔ)亮(liàng)度明顯提升，並在大約28 ^oC左(zuǒ)右大致達(dá)成較為恒(héng)定的光子對(duì)光譜(pǔ)亮(liàng)度(dù)
。

表2. 0型晶(jīng)體(tǐ)非簡並輸(shū)出與II型晶(jīng)體簡(jiǎn)並輸(shū)出(chū)光子(zǐ)對亮度比(bǐ)較(jiào)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)我們獲(huò)得0型(xíng)PPKTP觀測到的光譜(pǔ)亮度（光子(zǐ)對/每(měi)毫瓦泵(bèng)浦功(gōng)率/nm)大(dà)致(zhì)是(shì)II型PPKTP觀測(cè)光譜亮(liàng)度的20倍
。這個實(shí)驗(yàn)結果(guǒ)與0型和II型非(fēi)綫性(xìng)係數(shù)的(dí)差(chà)異是吻(wěn)合(hé)的(dí)
。

另(lìng)外，由於(yú)0型PPKTP的(dí)輻(fú)射光子(zǐ)光譜寬度(dù)較寬，最(zuì)後導致其(qí)輻(fú)射光(guāng)子(zǐ)亮度(dù)大(dà)致(zhì)比II型PPKTP高兩個(gè)數(shù)量(liáng)級
。

所以(yǐ)，總體而(ér)言；如圖(tú)五(wǔ)所示(shì)，由(yóu)於0型(xíng)PPKTP晶體(tǐ)的非綫性(xìng)係(xì)數(shù)遠(yuǎn)高(gāo)於II型(xíng)晶體(tǐ)，在(zài)輸出光(guāng)子對亮度(dù)（光子對/每(měi)毫瓦(wǎ)泵(bèng)浦功率(shuài))和(hé)光譜(pǔ)亮度(dù)（光子(zǐ)對/每毫瓦泵浦(pǔ)功(gōng)率/nm)上(shàng)均大幅(fú)度(dù)碾(niǎn)壓(yā)II型晶體
。但並(bìng)不(bù)是II型晶體(tǐ)在此(cǐ)一無是處(chǔ)，我們(mén)觀(guān)察到(dào)II型(xíng)晶體雖(suī)然轉化(huà)效率較低(dī)，但是其溫度(dù)敏感(gǎn)度(dù)也很低(dī)，也就(jiù)是說即使(shǐ)工作(zuò)溫(wēn)度(dù)有很大(dà)差別，II型(xíng)PPKTP晶體(tǐ)自發(fā)參(cān)量(liáng)下(xià)轉(zhuǎn)換(huàn)輻(fú)射(shè)光(guāng)子對的(dí)亮(liàng)度(dù)和光(guāng)譜(pǔ)亮(liàng)度(dù)幾(jī)乎恒定(dìng), 這個特點使得(dé)II型晶體在(zài)嚴(yán)酷條件(jiàn)（比(bǐ)如說(shuō)星載(zǎi)量子(zǐ)係統，在外(wài)太空產生(shēng)糾(jiū)纏光子對）時(shí)，可以(yǐ)大幅(fú)度減小控溫設備體積重量甚(shèn)至不做額(é)外(wài)控(kòng)溫(wēn)狀態(tài)下，以所謂的自由運(yùn)行條件(jiàn)，在(zài)外界(jiè)溫(wēn)度變化(huà)時(shí)仍能穩定(dìng)有(yǒu)效(xiào)的輻(fú)射(shè)糾(jiū)纏(chán)光子對(duì)
。這就(jiù)是所(suǒ)謂魯棒性高（High Robustness），我(wǒ)們傾向於翻譯為(wéi)抗環(huán)境(jìng)幹(gān)擾(rǎo)能力高
。

多模連(lián)續波泵浦(pǔ)SPDC自(zì)發(fā)參量(liáng)下轉(zhuǎn)換(huàn):

對(duì)於(yú)常(cháng)規的多(duō)模(mó)連續波激(jī)光（帶(dài)寬(kuān)大(dà)致1nm左右）泵浦SPDC自(zì)發參(cān)量下(xià)轉換(huàn)一直(zhí)以來並不被關心，是因(yīn)為單(dān)縱(zòng)模激(jī)光(guāng)（大(dà)致帶(dài)寬500MHz或(huò)以(yǐ)下(xià)）的連(lián)續被激光器(qì)對(duì)於量(liáng)子實驗(yàn)室(shì)而言(yán)已經是(shì)一種(zhǒng)常(cháng)規(guī)采購(gòu)的普(pǔ)通(tōng)激(jī)光器了(liǎo)
。如上一段(duàn)所提(tí)及，對於(yú)長距(jù)離(lí)傳輸(shū)，惡劣環境（比(bǐ)如(rú)外太空(kōng)環境）應(yīng)用，還(huán)是有可能需要係統更為緊(jǐn)湊(còu)，抗環(huán)境(jìng)幹(gān)擾能(néng)力(lì)更(gēng)高(gāo)的多(duō)模(mó)激光器的(dí)，所以(yǐ)我(wǒ)們還是評估了一(yī)下多模連續被(bèi)泵(bèng)浦SPDC自(zì)發參(cān)量下轉換的(dí)光譜特(tè)性(xìng)和(hé)轉化效(xiào)率(shuài)
。

圖(tú)六(liù).0型和II型PPKTP利用多(duō)模(mó)（寬帶寬）激光泵浦(pǔ)時下的各自表(biǎo)現

如圖所示，橙(chéng)色曲(qū)綫為(wéi)利(lì)用405nm單(dān)模（窄(zhǎi)綫(xiàn)寬）激光泵浦的光子對(duì)輻射光譜(pǔ)曲綫(xiàn)，綠(lǜ)色為利用405nm多(duō)模（寬綫寬）激(jī)光泵浦後(hòu)的光子(zǐ)對(duì)輻射光譜(pǔ)曲綫(xiàn)，很(hěn)明(míng)顯，0型PPKTP采用(yòng)多(duō)模(mó)激光激(jī)發(fā)後光子輻(fú)射(shè)譜過寬(kuān)，為(wéi)了(liǎo)勉強(qiáng)可(kě)用還(huán)需(xū)要額外(wài)附(fù)加帶(dài)通濾光(guāng)片(piàn)做濾波；而(ér)II型PPKTP在(zài)采(cǎi)用(yòng)多模激(jī)光激發(fā)後綫寬(kuān)漂移和展寬(kuān)都不(bù)大，一(yī)般可(kě)以(yǐ)直(zhí)接應用(yòng)，也就(jiù)是說(shuō)II型(xíng)更能(néng)適合多(duō)模激光(guāng)泵(bèng)浦(pǔ)源(yuán)
。

Sagnac幹(gān)涉(shè)儀架(jià)構(gòu)下的偏(piān)振(zhèn)型(xíng)光子(zǐ)糾纏對產(chǎn)生(shēng)：

圖七. 0型和II型PPKTP晶(jīng)體(tǐ)自發參量下(xià)轉換(huàn)驗(yàn)證(zhèng)實(shí)驗(yàn)

如(rú)圖(tú)七(qī)所示，我們(mén)采用一(yī)台405nm連續被二(èr)極管(guǎn)激光(guāng)器(qì)做(zuò)泵(bèng)浦源，0型和(hé)II型PPKTP裝卡在(zài)同一溫(wēn)控台上（這樣(yàng)就可以利用下麵的(dí)電移(yí)台(tái)切換(huàn)待(dài)測晶體），PPKTP晶(jīng)體參(cān)見(jiàn)Raicol 規(guī)格(gé)，長(cháng)度20mm,寬高(gāo)2*1mm，外(wài)光(guāng)路(lù)是(shì)Sagnac幹(gān)涉(shè)儀(yí)架構;輸出的(dí)光(guāng)子對采用二(èr)向色(sè)鏡分離非(fēi)簡並光（非(fēi)簡(jiǎn)並(bìng)即(jí)輸出(chū)光(guāng)子對(duì)波(bō)長不(bù)同(tóng)）；或利(lì)用(yòng)偏振分束器分離偏(piān)振(zhèn)光，然後(hòu)用兩根單模光(guāng)纖耦(ǒu)合進兩個(gè)雪崩二(èr)極管做符(fú)合探測，來(lái)驗證(zhèng)光(guāng)子(zǐ)對(duì)
。經測(cè)試0型(xíng)和II型(xíng)都(dū)能(néng)取得(dé)很高的(dí)偏(piān)振保(bǎo)真度(dù)
。

總結(jié)和引申(shēn)討論：

本(běn)文總(zǒng)結了0型和II型PPKTP晶(jīng)體(tǐ)各(gè)自的(dí)特點，相對而(ér)言，0型PPKTP晶(jīng)體(tǐ)由於(yú)其(qí)高(gāo)非(fēi)綫(xiàn)性(xìng)效(xiào)率和高(gāo)偏振(zhèn)保(bǎo)真度，適合(hé)於(yú)大(dà)多(duō)數需要產(chǎn)生(shēng)大(dà)量(liáng)糾纏光子對(duì)的(dí)應(yīng)用，而II型(xíng)PPKTP晶體高(gāo)偏(piān)振保(bǎo)真(zhēn)度，窄(zhǎi)輸出綫(xiàn)寬，對泵(bèng)浦波長變化(huà)和溫(wēn)度(dù)擾動不敏感(gǎn)，適(shì)合於一些希望(wàng)獲(huò)得(dé)更(gēng)強抗(kàng)幹擾能力(lì)，更(gēng)窄輸出綫(xiàn)寬的(dí)應(yīng)用(yòng)
。下(xià)麵，我(wǒ)們就(jiù)一(yī)些(xiē)典型應(yīng)用(yòng)做具體(tǐ)分(fēn)析：

光(guāng)壓縮Squeezed Light：

由於海(hǎi)森(sēn)堡測(cè)不(bù)準原(yuán)理(lǐ)（也稱海森堡(bǎo)不(bù)確定關(guān)係(xì)）限製，量子化(huà)電(diàn)磁場(cháng)的正交(jiāo)振(zhèn)幅(fú)分(fēn)量(liáng)X與(yǔ)正交(jiāo)位(wèi)相分量(liáng)P均存(cún)在量子漲落(là)，因(yīn)此不(bù)能被同(tóng)時準確測量
。換(huàn)而言(yán)之，如(rú)果(guǒ)我(wǒ)們(mén)采用某(mǒu)種方式讓(ràng)一個分量的(dí)量(liáng)子(zǐ)漲(zhǎng)落低了（也就(jiù)是(shì)噪(zào)音低(dī)了(liǎo)），另(lìng)外(wài)一個分量(liáng)的(dí)量子漲落一定(dìng)升(shēng)高
。我(wǒ)們(mén)其(qí)實就是利(lì)用這個特點，人(rén)為的壓縮一(yī)個分量的(dí)量子漲(zhǎng)落，而放(fàng)任另(lìng)外(wài)一個分量(liáng)漲落提(tí)升(shēng)，後續的測(cè)量係(xì)統(tǒng)隻(zhī)檢測被壓縮漲(zhǎng)落的這個分量，以(yǐ)此(cǐ)方式在這個(gè)分量(liáng)上大(dà)幅度降(jiàng)低噪聲，從(cóng)而提(tí)升信噪(zào)比
。這就(jiù)是所謂(wèi)Squeezed Light壓縮光(guāng)的(dí)由(yóu)來，簡而言(yán)之，壓縮光(guāng)不是真正把(bǎ)光壓(yā)縮了，而是壓縮(suō)了光波一個(gè)分(fēn)量(liáng)上的量(liáng)子漲(zhǎng)落(là)(即壓(yā)縮了(liǎo)這(zhè)個(gè)分量上(shàng)的(dí)噪(zào)聲），從而大(dà)幅度(dù)提升這個(gè)分(fēn)量上(shàng)的(dí)檢(jiǎn)測信(xìn)噪(zào)比(bǐ)
。接下來(lái)您(nín)可能問(wèn)了(liǎo)，那麼(mó)其他分量(liáng)也要測呢(ní)？簡單(dān)呀，取其他(tā)分量方(fāng)向，另外(wài)再壓縮(suō)，再測(cè)試呀；PPKTP可(kě)以(yǐ)用於光壓(yā)縮，多個不同分(fēn)量的(dí)並(bìng)聯光壓(yā)縮(suō)可以利用(yòng)多個光(guāng)學(xué)通(tōng)道(dào)用多個PPKTP分(fēn)別(bié)壓(yā)縮
。

圖八.較早(zǎo)的光壓(yā)縮係統架構

簡(jiǎn)單講，光壓縮是為了提升探測(cè)係統的(dí)信(xìn)噪比，這裏常規而言(yán)，采用0型(xíng)PPKTP晶(jīng)體由於其很(hěn)好的(dí)光(guāng)子對(duì)轉化(huà)效率(shuài)，首先提供了很高(gāo)的(dí)信號水平；再進一(yī)步(bù)的(dí)在(zài)一個分量上進(jìn)行壓縮，則獲得(dé)了(liǎo)這個分(fēn)量更高(gāo)的信(xìn)噪(zào)比(bǐ)
。

玻(bō)色子(zǐ)采(cǎi)樣和(hé)量子幹(gān)涉Boson Sampling and quantum interference：

其實這個應用(yòng)仍(réng)然是(shì)要(yào)利(lì)用(yòng)壓縮(suō)光(guāng)，隻不過(guò)要(yào)求更為(wéi)嚴格或特殊(shū)
。舉(jǔ)個量子幹(gān)涉的例(lì)子，比(bǐ)如我們知道(dào)的引(yǐn)力波(bō)探(tàn)測係(xì)統(tǒng)LIGO，是由兩(liǎng)個(gè)長達數(shù)公(gōng)裏相(xiāng)互垂(chuí)直的探測臂組(zǔ)成(chéng)，相當於(yú)架設一台以(yǐ)公裏(lǐ)計的(dí)超(chāo)大(dà)型幹(gān)涉(shè)儀來進(jìn)行超微(wēi)弱信號(hào)檢測(cè)，據(jù)報(bào)道，引入(rù)了壓縮(suō)光之後，使(shǐ)得引(yǐn)力波量子(zǐ)幹(gān)涉檢(jiǎn)測的(dí)信(xìn)噪(zào)比(bǐ)提升了(liǎo)數(shù)倍
。象這樣一類特殊(shū)應用對於糾(jiū)纏光子對輸出(chū)綫(xiàn)寬希(xī)望更(gēng)窄，對於抗(kàng)環境擾動的(dí)能(néng)力希(xī)望更強(qiáng)，所以(yǐ)會犧牲(shēng)一定(dìng)的轉(zhuǎn)化效率(shuài)，而選(xuǎn)用(yòng)II型PPKTP晶體
。

圖九.引(yǐn)力波探測(cè)係(xì)統LIGO

量子密(mì)鑰分發(fā)Quantum Key Distribution：

量(liáng)子密鑰(yuè)的(dí)載(zǎi)體就是糾纏(chán)光(guāng)子對，常規的大氣環境或(huò)采(cǎi)用光纖通(tōng)道進行量子(zǐ)密鑰分發，由於大(dà)氣有(yǒu)強烈(liè)的衰(shuāi)減以(yǐ)及(jí)光(guāng)纖(xiān)的去(qù)相(xiāng)幹(gān)效(xiào)應(yīng)，很(hěn)難實現長(cháng)距離量(liáng)子(zǐ)密(mì)鑰傳(chuán)輸(shū)
。此時往往會采(cǎi)用(yòng)0型PPKTP，盡可能(néng)的多產生一些糾纏光子對（即(jí)提升(shēng)信號水(shuǐ)平還準備承(chéng)受(shòu)後續(xù)的(dí)衰(shuāi)減(jiǎn)和去相(xiāng)幹效(xiào)應的損耗(hào)）
。

但(dàn)也(yě)有(yǒu)一(yī)些(xiē)特殊(shū)情況(kuàng)，比如果(guǒ)星載量(liáng)子密鑰分發，舉個例(lì)子：

中(zhōng)科大(dà)潘建偉院(yuàn)士(shì)小組在(zài)《自然》雜誌發(fā)表的(dí)《“墨(mò)子號(hào)"量子(zǐ)科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星(xīng)，實(shí)現(xiàn)1120公裏長距(jù)離無中(zhōng)繼糾(jiū)纏(chán)量(liáng)子密鑰(yuè)分發》，在(zài)這次實驗中，中(zhōng)科(kē)大在(zài)相隔1120公裏的(dí)新(xīn)疆烏(wū)魯木(mù)齊(qí)南山站和青海德令哈站(zhàn)設(shè)置了兩(liǎng)個地(dì)麵(miàn)站
。每(měi)個站(zhàn)點(diǎn)都有專門為(wéi)量子實(shí)驗設計(jì)的直徑為1.2米(mǐ)的(dí)地(dì)麵(miàn)望遠(yuǎn)鏡做(zuò)光子接收(shōu)
。以(yǐ)及《“墨子(zǐ)號"實(shí)現了北(běi)京(jīng)和維(wéi)也(yě)納(nà)之間(jiān)的7600公(gōng)裏(lǐ)洲(zhōu)際量子(zǐ)通(tōng)信》，進(jìn)一(yī)步延長(cháng)了量子(zǐ)密鑰星地分發(fā)的(dí)距(jù)離(lí)
。其(qí)設計理(lǐ)念(niàn)是(shì)：

讓衛星作為糾纏源，隻負責(zé)分發糾纏，不掌(zhǎng)握(wò)任何密鑰信(xìn)息，即(jí)使糾纏源來自不可信的第三(sān)方，隻要(yào)用(yòng)戶間能檢(jiǎn)測到量(liáng)子(zǐ)糾纏，仍(réng)可以產生(shēng)安(ān)全(quán)的(dí)密鑰
。

星(xīng)載(zǎi)量(liáng)子(zǐ)密(mì)鑰分發另(lìng)外一個重大優(yōu)點是(shì)：如果是星對(duì)地量子(zǐ)密鑰分(fēn)發(fā)，主要需要克(kè)服(fú)大(dà)氣層(céng)的(dí)損耗和去(qù)相幹作用(yòng)，在外太空傳輸(shū)段是沒(méi)有(yǒu)附(fù)加損(sǔn)耗的，所(suǒ)以說，星(xīng)地(dì)密(mì)鑰(yuè)分發在克服了百(bǎi)公裏(lǐ)厚度(dù)的(dí)大氣層(céng)幹(gān)擾效(xiào)應後(hòu)，增(zēng)加上(shàng)千公裏的(dí)太空內(nèi)無(wú)幹(gān)擾傳(chuán)輸距離是手到擒(qín)來(lái)的
。更進一步(bù)的說，如果是星(xīng)際間量子(zǐ)通信，則甚至(zhì)由於太(tài)空內真(zhēn)空傳(chuán)輸甚少(shǎo)損耗，實(shí)現以光年(nián)距(jù)離(lí)計算的量子密(mì)鑰(yuè)分發(fā)也(yě)是也有可(kě)能(néng)的
。如(rú)本(běn)文討論(lùn)，相(xiāng)對而言，II型PPKTP晶體的自發(fā)參(cān)量下轉換(huàn)更為(wéi)適合(hé)條件嚴苛(kē)的(dí)星(xīng)載糾(jiū)纏(chán)光子(zǐ)對(duì)生(shēng)成(chéng)與分發(fā)，比如說(shuō)可以做到擺脫更占體(tǐ)積與(yǔ)重(zhòng)量的控溫(wēn)與(yǔ)壓縮綫寬的周(zhōu)邊設備，而(ér)利用體積(jī)更(gēng)小(xiǎo)，功率更高且(qiě)能耗比(bǐ)更(gēng)高的(dí)多模(mó)半(bàn)導(dǎo)體激(jī)光(guāng)器(qì)作(zuò)為(wéi)自(zì)由運(yùn)行泵浦源，采用(yòng)II型(xíng)PPKTP承受更(gēng)高(gāo)的(dí)外界溫(wēn)度環境擾動，穩(wěn)定的產生自發參(cān)量下轉換光子(zǐ)對(duì)
。

量子(zǐ)“鬼"成像(xiàng)Imaging With Undetected Photons：

   “鬼(guǐ)"成像較(jiào)早(zǎo)是(shì)顯示(shì)量(liáng)子糾(jiū)纏(chán)奇(qí)妙(miào)應(yīng)用(yòng)的(dí)一(yī)個很具(jù)吸引力(lì)的(dí)方向(xiàng)，真正實現成像的(dí)光路(lù)根本就(jiù)不(bù)經過目(mù)標(biāo)本身(shēn)，所(suǒ)以(yǐ)稱之(zhī)為“鬼成(chéng)像"，但在(zài)其(qí)後的(dí)數年(nián)內，業(yè)內科(kē)學家(jiā)發(fā)現了(liǎo)即使(shǐ)不(bù)采(cǎi)用(yòng)糾(jiū)纏(chán)光子(zǐ)對(duì)，也能實(shí)現“鬼(guǐ)成(chéng)像"，所(suǒ)以量(liáng)子“鬼(guǐ)"成(chéng)像(xiàng)因其光子糾(jiū)纏(chán)對的(dí)產率畢(bì)竟是(shì)會遠遠低(dī)於(yú)常規(guī)光源，在做“鬼成像"應用看似(sì)無甚(shèn)優點(diǎn)，近(jìn)些年(nián)來(lái)文(wén)章數(shù)目明(míng)顯減小
。但最近(jìn)還是(shì)有幾篇比較有(yǒu)趣(qù)的文章(zhāng)，筆(bǐ)者(zhě)後續會另(lìng)外再寫(xiě)一個小(xiǎo)綜述做相對詳細的(dí)敘述(shù)，本文簡單(dān)歸納(nà)一(yī)下最近幾(jī)篇量子(zǐ)鬼成像(xiàng)在實(shí)用性上的優點所在:

可(kě)以(yǐ)利用0型PPKTP大(dà)波長(cháng)差產(chǎn)生(shēng)非簡(jiǎn)並糾纏(chán)光子(zǐ)對的(dí)特(tè)點，用(yòng)一束(shù)可見光激光(guāng)泵浦產生(shēng)700-800nm附(fù)近的(dí)近紅(hóng)外信號(hào)光，同(tóng)時(shí)產生(shēng)一個(gè)3-4um中紅(hóng)外(wài)閒散(sàn)光(guāng)
。3-4um中紅外(wài)閒散(sàn)光對(duì)於(yú)生物(wù)成(chéng)像(xiàng)非常有(yǒu)好處(chǔ)，比(bǐ)如3-4um正(zhèng)好(hǎo)是生物(wù)組織(zhī)指(zhǐ)紋光譜的波段，有(yǒu)望實現選擇性檢(jiǎn)測(cè)，而且波長(cháng)越長深(shēn)入(rù)生物組(zǔ)織的能(néng)力就越(yuè)強；而700-800nm的(dí)信號(hào)光也有好處，我們(mén)常規(guī)的矽(guī)基麵(miàn)陣(zhèn)成像器在700-800nm附(fù)近(jìn)的(dí)感應靈(líng)敏(mǐn)度保(bǎo)持(chí)的相當(dāng)高(gāo)，比較起中(zhōng)紅(hóng)外麵(miàn)陣成(chéng)像器(qì)而(ér)言，在(zài)探測靈(líng)敏(mǐn)度，信噪比，空(kōng)間(jiān)分辨(biàn)率，係統價格便(biàn)宜(yí)等各方麵(miàn)全(quán)麵碾壓
。

PPKTP產(chǎn)生量子糾纏對強度(dù)遠(yuǎn)弱(ruò)於常(cháng)規(guī)光源(yuán)有時候(hòu)反而(ér)是一(yī)個優點所(suǒ)在(zài)，因(yīn)為對於(yú)生(shēng)物組織成(chéng)像(xiàng)，細(xì)胞(bāo)在(zài)承(chéng)受(shòu)強(qiáng)烈照射後會失(shī)去生(shēng)物活性，而糾(jiū)纏光子(zǐ)的(dí)照射無論(lùn)如何(hé)不可能超過生(shēng)物組(zǔ)織的損傷閾值(zhí)
。

進一(yī)步(bù)的研(yán)究方向，如果找到(dào)了可以涵(hán)蓋從近(jìn)紅(hóng)外到(dào)超遠紅(hóng)外（比如(rú)太赫茲波段(duàn)）的(dí)自發參量下轉換非綫性晶(jīng)體(tǐ)，我們(mén)就可以做到利用(yòng)矽基CCD或COMS相(xiāng)機探測信(xìn)號(hào)波段，又(yòu)便(biàn)宜有高效(xiào)的(dí)實現(xiàn)閒(xián)散光波(bō)段(duàn)太赫茲相幹(gān)成(chéng)像，從而(ér)客(kè)服太赫茲(zī)波段成像難的(dí)問題(tí)
。

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