用非周期極化定制量子態介紹

在上一篇文章中，我們談到了周期性極化如何提供準相位匹配、它的各種優點以及它對不同 SPDC 參數的控制。

SPDC 光被廣泛應用于量子成像、量子通信和量子計算等領域。隨著這些應用的成熟，對所生成量子態的特性（如純度和保真度）進行更好、更強的控制變得越來越重要。例如，對于某些量子計算或通信應用，人們希望生成特定的糾纏態，如貝爾態或簇態。然而，對于預示單光子應用，人們希望 SPDC 過程能產生可分離態，因為從糾纏對中預示出一個光子將導致單光子處于混合態。

實現這種控制的一種可行方法是通過進一步定制極化、實現非周期性極化和定制占空比來制造更復雜的晶體。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 光中產生超寬光譜，實現了破紀錄的窄洪歐-曼德爾（HOM）傾角。

在通常情況下，泵浦脈沖所經歷的非線性在泵浦進入晶體時突然開啟，而在泵浦離開晶體時又突然關閉。這就導致產生的態的聯合頻譜振幅（JSA）出現 sinc 邊葉。這意味著部分 SPDC 光子對是在不同波長的組合下產生的，從而形成不同的量子態。由于要實現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 光子對集中到一個明確定義的量子態中。 這里展示的是一種特殊的疇工程方法，它可以對光譜進行光柵化處理，消除 sinc sidelobes（圖 1）。

從較大的 HOM 凹陷能見度可以看出，這種光柵化晶體產生的狀態純度很高，難以區分。這種純度和不可分性對于依賴大量連續雙光子干涉事件的先進光子技術至關重要。

圖 1 - 常規周期性極化會導致 sinc 相位匹配函數產生邊葉。使用優化極化可以克服這一問題，并獲得更純凈的相位匹配函數

在生成高維量子態和新的糾纏可能性時，對晶體光譜特性的控制具有特殊意義  。近年來，這種狀態因其更高的信息容量和更強的抗噪能力而日益受到關注 。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，使每個光子都能攜帶更多信息。在頻譜中編碼的好處是，這種狀態幾乎不會發生退相干。空間域編碼之所以具有吸引力，是因為它易于利用成熟的空間光調制器技術進行控制和操縱。在這兩種情況下，非周期性輪詢以及對刺激 SPDC 過程的泵浦光束進行優化，已被證明能夠更好地控制生成的狀態。

人們利用疇工程學以及寬帶脈沖泵的調制，生成了各種光譜編碼狀態，如貝爾態和雙氚態。使用這種方法，無需在生成過程后過濾（很少的）SPDC 光子，因為泵和晶體的整形已經能夠直接生成所需的聯合頻譜。具體來說，泵浦調制是通過一種簡單的技術完成的，只使用無源光學元件，如雙折射楔和波板。一般來說，使用衍射光柵和空間光調制器可以更靈活地形成泵浦光譜。

通過詳細的物理模型和機器學習框架，可以找到最佳的三維晶體結構以及量身定制的泵形狀，從而產生任意的空間編碼狀態。通過實驗證明了這一點，即通過對非線性晶體進行工程設計，在 Hermite-Gauss 基礎上生成空間貝爾狀態。

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