基于铌酸锂的时域纠缠量子通信技术

逍遥设计自动化

引言
3 d$ b! X% v1 m1 _. v量子通信技术为实现无条件安全的信息传输提供了有效方案。随着对量子安全通信网络需求的增长，开发实用且高效的量子通信系统已成为研究重点。在各种方法中，时域纠缠因其在光纤网络中对环境扰动具有较强的抗干扰能力，已被证明特别适合实际应用[1]。
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( l; X+ [4 T$ J3 |& t, K" }/ Q时域纠缠的基本原理
时域纠缠涉及在不同时间模式之间创建光子的量子关联。该过程始于泵浦激光产生时间分离的脉冲对。通过自发参量下转换(SPDC)，每个脉冲可以产生一对纠缠光子。当光子对可能由早期或晚期脉冲产生，且无法区分这些可能性时，系统进入量子叠加态，描述如下：|ψ? = 1/√2(|EE? + eiφp|LL?)，其中|E?和|L?分别表示早期和晚期时间区间，φp是泵浦脉冲之间的相对相位。
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. P; s9 m6 p" B+ M& ?  m( g- c图1：(a)通过干涉仪产生干涉量子态。(b)量子比特态的布洛赫球表示。(c)显示量子干涉模式的标定图。
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1 N/ }* T  t; r! M铌酸锂薄膜平台实现
研究团队采用铌酸锂薄膜作为主要平台，相比传统方法具有多项优势。器件结构采用300纳米厚的掺镁氧化物x切割铌酸锂薄膜构成，通过精密刻蚀形成光学线路。核心组件包含周期性极化铌酸锂(PPLN)波导，该波导专门设计用于高效产生光子对。在器件输入输出端，研究人员设计了聚焦光栅耦合器，确保光信号的高效耦合。为实现精确的相位控制，器件集成了具有热光相移器的马赫-曾德尔干涉仪。此外，通过精心设计的延迟线实现了与泵浦脉冲间隔的精确匹配。

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5 J2 \+ a; i# L: t4 f图2：器件示意图，显示泵浦脉冲输入、SPDC产生以及具有可变光衰减器和相位控制的分析干涉仪。

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. W2 v6 j8 [/ k: m! T6 {3 t量子态产生和分析
3 `2 [. \5 V  X* p. B) v系统运行始于将775纳米泵浦脉冲通过特制的基于光纤的不平衡干涉仪，该过程产生间隔约220皮秒的脉冲对。这些精确控制的脉冲随后在PPLN波导中进行SPDC过程，在电信波长产生高质量的纠缠光子对。产生的光子对经过精心设计的光路，通过概率性分束机制分离，最终由两个精密校准的弗朗森干涉仪进行量子态分析。
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图3：(a)显示各种量子态测量的二维符合计数直方图。(b)显示对应不同量子态的不同时间峰值的折叠视图。
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性能特征与测量结果
( `/ n( c2 \. h8 p; L% V该系统展现了卓越的性能指标。通过精确测量，研究团队发现源亮度达到242 MHz/mW，这一数值显著超过了现有的同类系统。量子干涉可见度达到78.1 ± 2.0%，该结果在没有背景扣除的情况下获得，体现了系统的优良性能。态保真度达到91.9 ± 1.0%，纠缠度为0.76 ± 0.04，冯诺依曼熵维持在0.53 ± 0.05比特，这些数据均表明系统产生了高质量的量子纠缠态。

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7 M3 ?  o9 Q. Z+ f图4：(a)显示不同投影设置下的量子干涉二维直方图。(b)三重符合测量的折叠视图。(c,d)重构密度矩阵的实部和虚部。(e)量子态参数的统计分析。

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技术优化与挑战
+ P" a6 X& L3 s/ |+ a& t( c+ l色散管理构成了系统设计中的关键技术挑战。实验表明，泵浦脉冲在传输过程中经历了显著的时间展宽，最终达到约17皮秒。为解决这一问题，研究人员引入了8.8纳米FWHM的带通滤波器，有效维持了系统的干涉可见度。未来通过波导色散工程可望进一步提升系统性能。

, S" F4 n3 f! j* Q7 ~在功率和速率方面，当前系统在80 MHz重复率下运行，泵浦功率精确控制以产生2.79 ± 0.09%的光子对生成概率。实验数据表明，该工作点可有效抑制多光子事件的产生。通过优化系统参数，理论上可实现GHz级的操作速率。
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, ^( i6 a  J) O8 Z" x- j0 Q( Y; K8 K/ h图5：提出的QKD接收器配置，显示(a)用于安全验证的能量基操作和(b)用于量子信息传输的时间基操作。

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量子密钥分发应用展望
/ a$ D' k) w% S) a1 y) m* C实验结果显示，该平台特别适合量子密钥分发应用。研究团队提出了包含高速电光开关的改进方案，用于实现确定性的光子路由。这一设计将显著提高E91和BBM92等基于纠缠的QKD协议的实施效率。与现有的硅基系统相比，该平台实现了提升三个数量级的亮度，同时所需泵浦功率大幅降低。

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结论
# ?9 ^$ U5 ?- x" T2 R" W7 {. n2 d基于铌酸锂薄膜的时域纠缠实验不仅验证了平台的可行性，更展示了显著的技术优势。通过系统的性能测试和分析，研究结果表明该方案在效率、可扩展性和集成度方面具有明显优势。随着量子通信从实验室逐步迈向实际应用，基于铌酸锂的集成光子方案将在构建安全、高速的量子网络中发挥重要作用。
6 E' l# h' ]9 w9 l) Y1 t+ H; Y9 ~
2 a" ~- o  g. z( i* [/ Y* g参考文献
& `* r/ Z. o4 a0 ^! N$ `[1] G. Finco, F. Miserocchi, A. Maeder, J. Kellner, A. Sabatti, R. J. Chapman, and R. Grange, "Time-bin entangled Bell state generation and tomography on thin-film lithium niobate," npj Quantum Information, vol. 10, no. 135, 2024, doi: 10.1038/s41534-024-00925-7.
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