撰稿|由课题组供稿
根据传统的观念和方法，激光是泵浦非线性光学晶体获取纠缠光子对的必备光源。最近，来自厦门大学光场调控与量子信息课题组的研究人员却突发奇想，采用了价格低廉的LED光源代替激光来泵浦非线性光学晶体，从而发展了一套基于非相干光源制备光量子纠缠态的新方法。与传统的激光光源不同，LED光源的时间-空间相干性都非常差。因此该技术打破了人们对获取纠缠光子对方法的固有印象，并且今后有望进一步拓展到太阳光等自然光源，从而为实现太空量子通讯无需电力驱动的纠缠光源提供一种可能的方案。该研究成果以“基于LED泵浦的参量下转换过程获取偏振纠缠（Polarization Entanglement from Parametric Down-Conversion with a LED Pump）”发表在美国物理学会期刊Physical Review Applied 19, 054092 (2023)。
在基于光学手段的量子科技领域，制备光子纠缠态是光量子科技相关研究的前提和基础，已被广泛应用于量子信息研究的各个领域。目前国内外大多数光量子实验室产生纠缠光子对的标准方案是基于非线性光学晶体(如BBO，PPKTP)的自发参量下转换（SPDC）过程。在该过程中，泵浦光中一个高频的光子在非线性晶体中分裂成为两个低频光子（图一），从晶体中双光子产生的位置来看，不管泵浦光束是什么特性，两个低频光子的位置总是关联的。然而在传统研究中，该过程往往利用具有高度空间和时间相干性的激光来泵浦非线性晶体，但是空间和时间相干性是否同时是产生纠缠光子对的必要条件？泵浦光的空间和时间非相干性在实验上如何影响下转换光子对的纠缠特性？是否可以从部分相干光甚至是非相干光的SPDC效应中提取纠缠光子对来应用于量子信息处理？
图一、（a）激光泵浦非线性晶体，基于晶体的非线性过程—自发参量下转换（SPDC），产生信号光（signal）和闲置光（idler）；(b) 泵浦光子、信号光子和闲置光子满足能量守恒
（c）泵浦光子、信号光子和闲置光子同时满足动量守恒
如果是周期性极化晶体，还需考虑晶体倒格子矢
的贡献。
针对上述问题，厦门大学研究团队利用LED光源泵浦周期性极化的非线性光学晶体（PPKTP），基于该晶体较高的转换效率，成功实现了基于LED 泵浦获取偏振纠缠光子对的技术方案。实验装置如图二所示，他们通过将LED光用直径400微米的多模光纤收集，然后利用透镜组整形到0.5毫米的尺寸来泵浦1毫米×2毫米×5毫米PPKTP晶体。在准相位匹配下，晶体其实扮演了滤波器的角色，可以自然而然的滤出频率（能量守恒）和偏振态（相位匹配）相符的光子对，而这些光子对在晶体中产生的位置是确定的，而与光束横截面的相干性无关，这个过程与利用激光泵浦PPKTP通过后选择技术获取高效的偏振纠缠光子对的常规方案类似，不同之处在于激光具有较好的准直特性，也就是波矢k可等效为近轴情况，而LED光具有较高的发散角，下转换光子对的波矢方向属于非近轴条件，如何选取同一方向的波矢是该实验技术的难点。理论上利用两个点探测器（类似单像素探测器）对整个下转换二维光场扫描，从而选取最优化的贝尔态，但是LED泵浦的双光子产率非常低，该方案在实际测量中并不可取。因此，研究团队采用了开口为0.1毫米的狭缝（Si，Ss）放在信号光路和闲置光路中，通过电机自动扫描进行一维线积分测量。线积分测量的好处就是把二维横截面光场的扫描限制在一维方向上。由于整形后的LED光束光强分布近似高斯，中心处的光场能量最为集中，因此通过狭缝扫描，我们最终在实验上把信号光路和闲置光路的狭缝都也精准地放置于光场的中心位置，从而获得优化的双光子计数效率。随后，我们仅分别进行桶测量，即直接收集两路中经过狭缝的所有光子，并进行单光子探测和符合计数。我们实验中记录到的最大符合计数约15对/秒，虽然最大单路计数大概可达1万个/秒。
图二：LED泵浦非线性晶体获取纠缠光子对的实验装置。由晶体及透镜组构成的系统可等效为滤波系统（filtering system），可以从非相干光源中滤出有效的纠缠光子对。
非常有趣的是，实验结果表明基于LED泵浦的偏振纠缠光子对的贝尔不等式的违背值，S = 2.33 ± 0.097，测量结果如图三（a）所示，贝尔值违背了经典光学S ≤ 2的推论, 从而证明了基于LED的SPDC获取的光子对具有优越的偏振纠缠特性。这是因为，通过非线性光学SPDC过程，纠缠光子对在晶体中都是同时（同一时刻）同地（同一位置）成对产生的，因此每一个位置（每一个点位置或者像素）产生的纠缠都满足相位匹配条件，是一个局域化的偏振纠缠贝尔态；虽然不同位置是空间非相干的，但是每一个局域的位置都仍然是偏振纠缠贝尔态，因此每个位置理论上都能实现贝尔不等式的违背。而通过狭缝优化后的桶测量，实际的符合计数是狭缝内所有每个点位置对应的符合计数的简单代数和而已，仍然保持贝尔不等式的违背。通过标准贝尔基及态层析测量，我们还进一步测量并重构了双光子偏振纠缠态的密度矩阵，如图三（b）和（c）所示。
图三：（a）理论预测和实验测量贝尔基的结果图; (b，c)基于量子态层析重构双光子密度矩阵的实部和虚部。
该论文的第一作者为厦门大学物理学系张武虹副教授，陈理想教授和张武虹副教授为共同通讯作者，合作者还包括厦门大学物理学系硕士研究生许蝶飞同学。审稿人还高度评价该工作：“···提供了一种有趣的从非相干光源中获取偏振纠缠光子对的方法，拓宽了量子光学及量子信息的研究领域”。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、厦门大学校长基金等项目的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.054079
