低噪声转换：单片集成PPKTP谐振腔实现量子频率转换静音化

时间：2025-05-06 来源：新特光电访问量：1027

构建大规模量子网络取决于连接不同的量子系统，但这些系统通常在不同的光波长下运行。例如，金刚石中的氮空穴是量子网络节点的绝佳候选者，它能在 637nm波长处发射单光子。

然而，通过标准光纤远距离有效传输这些光子是个问题，因为 637nm的光损耗很大。因此，转换为低损耗的电信波段至关重要。

量子频率转换（QFC）提供了解决方案，它可以在保持量子光的关键量子特性（如纠缠或挤压）的同时，相干地转换量子光的波长。尽管取得了进展，但要在不引入大量噪声的情况下实现高效的量子频率转换仍是一项重大挑战。

即使是少量的噪声也会降低或破坏脆弱的量子态，严重限制量子通信和网络能力。

Mann等人利用公司提供的晶体展示了一个很有前途的新平台，该平台采用了单片块状 ppKTP 腔体。单片 "腔体意味着构成光学谐振器的反射镜直接镀在晶体的端面上，形成一个单一的集成器件。

这种创新设计大大提高了在其内部循环的适度、现成的1064nm 泵浦激光器的有效功率。增强后的泵浦功率可以有效地驱动差频产生（DFG）过程，将637nm光子转换到电信 C 波段（在他们的工作中约为1587nm），同时显著降低不必要的噪声光子的产生（图 1）。

图 1：用于量子频率转换的 PPKTP 单片腔示意图。波长为 1064 nm 的泵浦和波长为 637 nm 的输入光子进入腔体，镀在晶体面上的反射镜增强了泵浦功率，驱动差频发生器产生波长为 1587 nm 的电信波长光子，并将噪声降至最低。M-反射镜，DM-二向色镜。

单片谐振腔的技术优势解析

块状晶体中的高效 QFC 通常需要很高的泵浦功率，这往往需要昂贵而复杂的激光系统。谐振腔提供了一种巧妙的变通方法，它能在晶体内部以较小的输入功率建立强光场。单片设计具有独特的优势：结构紧凑、坚固耐用。此外，这些腔体还能表现出被动的热自谐，这意味着它们可以自然地保持共振，而不需要主动的电子反馈回路。

这种简化大大提高了实际网络部署的可靠性和实用性。Mann等人还假设，使用块状 ppKTP 有一个关键优势：块状KTP可实现高质量的周期性极化，这可能会从本质上抑制寄生非线性过程，特别是源于强泵的不需要的自发参量下变频 (SPDC)--这是其他 QFC 方法的主要噪声源。

噪声新低记录与量子态保真技术突破

未来之路

Mann等人的实验仅使用3W输入泵浦激光器就实现了高达 72% 的内部转换效率，令人印象深刻。更重要的是，产生的噪声非常低，测量值约为 110 kHz/nm--这一数字量化了目标波长下每纳米带宽产生的不需要的噪声光子的比率。与之前在这些波长上运行的最先进的单步转换器相比，这一结果将噪声降低了 5 倍，大大提高了现实量子通信链路的可行性。

在转换过程中保持光的量子特性至关重要。研究小组通过转换来自纠缠对源（SPDC）的单光子严格验证了这一点。对二阶相关函数的测量证实了非经典相关性的保留，显示出远远超出经典极限的行为。他们还进行了弗朗森干涉测量和链式贝尔不等式测试，令人信服地证明了时间能量纠缠在转换过程中得到了高保真的保留。

这项工作凸显了单片块状ppKTP空腔作为量子网络波长转换的稳健、高效和显著低噪声平台的巨大潜力。我们提供这项工作所必需的高质量非线性晶体，包括ppKTP、apKTP和带有宽带镜面涂层的单片PPKTP。