利用少模光纤产生空间纠缠光子对的理论和实验研究
批准号:
12074283
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
李小英
依托单位:
学科分类:
光量子物理和量子光学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李小英
中文摘要
利用光子的多个模式和维度携带信息是增加信息容量和提升信息系统性能的重要手段。由于高维空间模式纠缠态在拓展量子态维度方面具有不可比拟的优点,近年来备受瞩目。目前产生空间模式纠缠光子对的一个主流方法是利用二阶非线性晶体中的光学参量过程,但其模式与低损耗传输光纤很难完全匹配,在光纤中分发时会不可避免地引入比较大的耦合损耗。本项目拟利用少模光纤三阶非线性效应,通过其中的模间四波混频产生通信波段的空间纠缠光子对,并将纠缠的信号光子和闲置光子将分别沿10公里少模光纤传输,演示空间模式纠缠光子对的远距离分发。由于纠缠光子对的空间模式与光纤一致,因此,可以和光纤通信空分复用系统的传输介质实现高效率的耦合。本项目的研究内容和研究结果,将揭示少模光纤的非线性,作为一种新型物理平台,在制备多模纠缠和实现多模量子信息处理的方面,有什么样的特点和前景。
英文摘要
The capacity and performance of communication system can be increased and improved by encoding information on the multiple degree of freedom of photons. Recently, the higher-dimensional quantum systems realized by exploiting the spatial modes of photon states have attracted a lot of attentions. So far, the optical parametric processes in the second order nonlinear crystals are the workhorse of generating spatially- or orbital-angular-momentum-entangled photons, which are the key resource for implementing various kinds of high dimension quantum information processing tasks. However, when the entangled photons are coupled into fibers for long-distance distribution, there exists significant coupling loss since there is mode mismatch between the modes of entangled photons generated in crystal platforms and those of fibers in which higher-order spatial modes are supported. If the spatially entangled photon pairs can be generated from the few mode fibers itself, the mode mismatch between the entangled sources and transmission fibers can then be dispelled. Therefore, we propose to generate spatially entangled photon pairs in 1550 nm telecom band by using the inter-modal four wave mixing in few mode fibers. Moreover, using low-loss few mode fibers as the transmission media, we will experimentally demonstrate the distribution of spatially entangled photons pairs over 10 km fibers. Our investigation will show that the nonlinearity of few mode fibers is a possible alternative to crystal platform for studying the higher-dimensional quantum systems.
制备和操控通信波段的高维空间模式纠缠态可为研究高维量子信息处理、增加信息容量提供有效的工具。本项目建立了以多种不同类型少模光纤为非线性介质的研究平台,利用少模光纤中的四波混频参量过程,围绕高阶空间模式纠缠光子对制备开展了一系列理论和实验研究。项目完成的工作主要包括:一、深入研究了少模光纤中四波混频位相匹配条件的实现方法及其特点,为产生空间模式纠缠光子对奠定基础。在理论研究的基础上还进行了一系列实验研究,包括利用色散位移少模光纤中的模内四波混频过程,实验演示了可实现增益均衡的两模式通讯波段光学参量放大器;揭示了泵浦光模式对自发和受激四波混频过程参量增益的影响。二、研究了不同少模光纤中与四波混频过程相伴随的拉曼效应及其影响因素。在大失谐和小失谐两种情况下,研究了泵浦光偏振及空间模式耦合效应对不同模式拉曼散射的影响,为合理优化实验参数,提高纠缠光源质量提供了依据。三、演示了利用少模光纤中不同空间模式脉冲泵浦光之间的走离效应调控关联光子对频谱,并制备具有频谱可分解特性的关联光子对;四、利用具有保模和保偏特性的少模光纤制备了具有高阶空间模式的通讯波段偏振纠缠光子对,在此基础上通过纠缠转换制备了空间模式纠缠光子对,并实现纠缠光子在10 km量级少模光纤中的分发。此外,本项目还针对基于非线性干涉仪和片上波导的量子纠缠光源等开展研究,为将高维空间模式应用拓展到这两个平台打下基础。项目共发表SCI期刊论文14篇、会议论文6篇;培养毕业博士研究生2人、硕士研究生4人,其中1名博士研究生获得2022年度王大珩光学奖学生奖。本项目的一系列研究成果展示了少模光纤在高维量子态制备和操控方面的巨大应用潜力,相关技术也可拓展至其它非线性平台,为高维量子信息处理的发展提供有力支持。
光程差超越相干长度的非平衡量子干涉仪及其在传感和量子信息中的应用
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批准号:12461160325
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:300.00万元
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批准年份:2024
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负责人:李小英
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依托单位:
超越标准量子极限的多参数联合测量
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批准号:91836302
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:410.0万元
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批准年份:2018
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负责人:李小英
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依托单位:
突破标准量子极限的非对易多参数联合测量
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批准号:91736105
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:90.0万元
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批准年份:2017
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负责人:李小英
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依托单位:
基于光纤的频谱可控量子关联光子对的制备
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批准号:11074186
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项目类别:面上项目
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资助金额:45.0万元
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批准年份:2010
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负责人:李小英
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依托单位:
基于光纤的窄带宽单光子源
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批准号:10774111
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项目类别:面上项目
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资助金额:35.0万元
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批准年份:2007
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负责人:李小英
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依托单位:
由微结构光纤产生纠缠光子的理论与实验研究
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批准号:60578024
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项目类别:面上项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2005
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负责人:李小英
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依托单位:
国内基金
海外基金