用非周期极化定制量子态介绍

在上一篇文章中，我们谈到了周期性极化如何提供准相位匹配、它的各种优点以及它对不同 SPDC 参数的控制。

SPDC 光被广泛应用于量子成像、量子通信和量子计算等领域。随着这些应用的成熟，对所生成量子态的特性（如纯度和保真度）进行更好、更强的控制变得越来越重要。例如，对于某些量子计算或通信应用，人们希望生成特定的纠缠态，如贝尔态或簇态。然而，对于预示单光子应用，人们希望 SPDC 过程能产生可分离态，因为从纠缠对中预示出一个光子将导致单光子处于混合态。

实现这种控制的一种可行方法是通过进一步定制极化、实现非周期性极化和定制占空比来制造更复杂的晶体。例如，我们可以制造一种啁啾光栅，在这种光栅中，极化间隔在晶体的入口面和末端面之间呈线性变化。这种方法已用于在 SPDC 光中产生超宽光谱，实现了破纪录的窄洪欧-曼德尔（HOM）倾角。

在通常情况下，泵浦脉冲所经历的非线性在泵浦进入晶体时突然开启，而在泵浦离开晶体时又突然关闭。这就导致产生的态的联合频谱振幅（JSA）出现 sinc 边叶。这意味着部分 SPDC 光子对是在不同波长的组合下产生的，从而形成不同的量子态。由于要实现高能见度的量子干涉和叠加，我们需要物理特性明确的光子，因此我们需要找到一种工程方法，将生成的 SPDC 光子对集中到一个明确定义的量子态中。 这里展示的是一种特殊的畴工程方法，它可以对光谱进行光栅化处理，消除 sinc sidelobes（图 1）。

从较大的 HOM 凹陷能见度可以看出，这种光栅化晶体产生的状态纯度很高，难以区分。这种纯度和不可分性对于依赖大量连续双光子干涉事件的先进光子技术至关重要。

图 1 - 常规周期性极化会导致 sinc 相位匹配函数产生边叶。使用优化极化可以克服这一问题，并获得更纯净的相位匹配函数

在生成高维量子态和新的纠缠可能性时，对晶体光谱特性的控制具有特殊意义  。近年来，这种状态因其更高的信息容量和更强的抗噪能力而日益受到关注 。它们有两种类型：光谱纠缠和空间纠缠。与偏振编码不同，这两种情况都允许编码高维信息，使每个光子都能携带更多信息。在频谱中编码的好处是，这种状态几乎不会发生退相干。空间域编码之所以具有吸引力，是因为它易于利用成熟的空间光调制器技术进行控制和操纵。在这两种情况下，非周期性轮询以及对刺激 SPDC 过程的泵浦光束进行优化，已被证明能够更好地控制生成的状态。

人们利用畴工程学以及宽带脉冲泵的调制，生成了各种光谱编码状态，如贝尔态和双氚态。使用这种方法，无需在生成过程后过滤（很少的）SPDC 光子，因为泵和晶体的整形已经能够直接生成所需的联合频谱。具体来说，泵浦调制是通过一种简单的技术完成的，只使用无源光学元件，如双折射楔和波板。一般来说，使用衍射光栅和空间光调制器可以更灵活地形成泵浦光谱。

通过详细的物理模型和机器学习框架，可以找到最佳的三维晶体结构以及量身定制的泵形状，从而产生任意的空间编码状态。通过实验证明了这一点，即通过对非线性晶体进行工程设计，在 Hermite-Gauss 基础上生成空间贝尔状态。