通信波段单光子频率上转换探测及其量子层析标定

论文摘要

近几年来,同时基于光纤传输和星地传输的量子保密通信发展迅猛,世界主要国家高度关注量子信息技术发展,甚至上升为国家战略。早在2013年,我国就前瞻部署了世界首条远距离量子保密通信“京沪干线”,率先开展了相关技术的应用示范并取得系列宝贵经验。随着量子信息技术的不断发展,量子信息最常用的载体——通信波段红外光子的单光子探测技术也被推动向前。然而当前应用较广的近红外单光子探测器如InGaAs APD和SNSPD等都有比较明显的缺点。基于频率上转换的单光子探测技术在近红外光子和Si-APD之间架起了桥梁。Si-APD在可见光波段具有高探测效率和低暗计数,可在常温下工作,结构紧凑,价格相对低廉。将近红外单光子转换到可见光波段后使用Si-APD进行光子探测可以充分利用其探测优势。已经证明高效率低噪声的单光子频率上转换可以实现保留初始单光子信号的量子态,这使得上转换单光子探测器能被应用于量子信息技术领域。针对当前近红外上转换单光子探测器探测带宽、滤波效率和量子特征等问题,本论文做了以下探究和验证工作:研究了泵浦带宽对于上转换探测器探测信号带宽的影响,实现了带宽为7.2 nm的近红外单光子上转换和探测;进行了基于Ⅱ类相位匹配的单光子上转换实验,研究了偏振滤波应用于上转换探测器的滤波效果;将量子探测器层析技术应用于近红外单光子频率上转换探测器,对其进行全面的量子表征等。本文的主要研究成果和创新点概括如下:1.为了提高上转换探测带宽,提出了一种基于宽带泵浦的宽带近红外单光子频率上转换探测方案并进行实验验证。首先推导了上转换过程中信号带宽和泵浦宽度的关系,证明了满足相位匹配的条件下转换信号带宽与泵浦带宽成正比。搭建一套宽带信号和泵浦同步激光源和基于PPLN晶体的上转换系统,在不依赖温度调谐和角度调谐的情况下,使用线宽为10 nm的1.04μm泵浦实现了7.2 nm的通信波段单光子上转换,转化效率最高达到18.6%,和频光带宽为0.2 nm,实现了36的带宽压缩比。并对群速度色散引起的走离进行了计算。此外还探究了不同泵浦功率对单光子水平的宽带转换效率和系统暗计数的影响。2.为了进一步提高对上转换过程中噪声的滤波效果,提出了一种基于Ⅱ类相位匹配的单光子频率上转换实验和偏振滤波方案并进行实验探究。先对上转换过程中噪声的来源进行分析,推导了基于Ⅱ类相位匹配的上转换的和频光子和噪声的偏振态。搭建了一个基于Ⅱ类相位匹配的单光子频率上转换探测器,在1.85 mW泵浦功率下探测效率约为0.07%。使用偏振滤波器件能过滤掉95.4%的泵浦倍频噪声,同时对和频光子透过率接近100%。3.为了探究单光子频率上转换探测器是否具有量子特性,进行了红外单光子频率上转换探测器的量子层析实验。以一台自搭建的基于同步泵浦的近红外上转换单光子探测器为表征对象,该探测器对1558 nm的单光子信号具有37.6%的探测效率,量子转换效率达到84.4%,同时暗噪声只有300 counts/s。以不同平均光子数的相干态为探针,对探测器进行了量子探测器层析,并根据量子层析数据进行了探测器的POVM矩阵重建。重构了探测器的Wigner函数,Wigner函数原点处负值的存在证明了探测器具有量子特征。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 马建辉

导师: 武愕

关键词: 单光子探测,频率上转换,红外光子灵敏探测,宽带上转换,类相位匹配,偏振滤波,量子探测器层析

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 华东师范大学

分类号: O413;TN918

DOI: 10.27149/d.cnki.ghdsu.2019.000254

总页数: 113

文件大小: 4257K

下载量: 38

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