本发明专利技术公开了一种可波分复用单光子源的产生装置，该装置包括：单光子产生系统、泵浦光同步系统及量子变频系统；其中，所述单光子产生系统，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统；所述泵浦光同步系统，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光；所述量子变频系统，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。本发明专利技术公开的装置具有兼容性较高且成本较低特点，并且产生单光子的纯净度也会更高。
【技术实现步骤摘要】
—种可波分复用单光子源的产生装置
本专利技术涉及量子通信领域，尤其涉及一种可波分复用单光子源的产生装置。
技术介绍
在量子通信领域中，实现全量子网络是一个重要的目标，全量子网络的构建主要包含了以下几个部分，可以携带信息的量子光源，可以传播信息的信道，可以储存并发送信息的中继，可以接收信息的终端。其中量子光源的设计是必不可少的环节，通常所说的量子光源包含了量子纠缠光源和单光子源。纠缠光源可以利用各种非线性晶体的参量下转换过程产生，其保真度和产生效率都可以做得很高。而单光子源通常是利用各种量子体系的发光来实现。现在比较成熟的单光子源包含以下几种体系:I)金刚石中的NV色心。高纯金刚石是无色透明的，而自然界中的发现的金刚石有各种颜色，这是由于金刚石内部杂质和缺陷造成的。在金刚石晶体中，大约有上百种发光缺陷，其中氮(N)是存在于自然金刚石中的主要杂质，当一个氮原子替代一个碳原子，并捕获周围一个空穴，会形成稳定的结构，我们称之为NV色心(Nitrogen Vacancy center)。NV色心具有稳定的能级结构，可以发出荧光。由于空穴的存在，会使NV色心存在充电或者不充电的两种形态，两种色心都具有能级结构可以发射荧光，但性质不同。没有充电的NV色心为NV0，零声子线波长为575纳米，而充电色心NV —的零声子线波长637纳米(对应能量为1.945eV)。在一定条件下NVO和NV —可以相互转换，尤其是使用高功率激光泵浦时，NVtl和NV一之间的转换非常快。室温下NV色心发射光谱可见谱比较宽(600mn-800mn)，这是因为空穴的存在使NV色心具有较大的振动能量，从而导致较宽的声子边带。与普通染料或者胶质量子点，如CdSe (硒化镉)，NV色心发光稳定,无光学漂白(bleaching)和闪烁(blinking)的效应，这使得其在长时间测量，稳定的单光子源方面非常有用。同样NV色心的吸收谱也比较宽，使用波长大于500纳米的激光都可以比较有效的激发。NV色心在室温下很宽的发射谱，导致光源丧失相干性，对一些应用不利；但是低温条件可以使NV色心的大部分能量都集中在零声子线上，具有很窄的谱宽。总结来说，NV色心的缺点在于能级寿命比较长(几十纳秒)，所以发光效率并不是非常出众。还有就是发光波长固定，不利于量子通信扩展性需求。2)单个束缚原子。单个原子体系由于所处的环境非常纯净，没有其他缺陷或声子的影响，单光子发射的纯净度很高，而且原子的能级寿命有的可以很短，因而发光效率也很高。但是自然界的中的原子都是以大团原子簇的形式出现的，想要捕获单个原子并稳定的束缚住它是非常困难的。现在一般采用磁光阱的方法来产生单原子光源。磁光阱是一种囚禁中性原子的有效手段。它由三对两两相互垂直.具有特定偏振组态井且负失谐的对射激光束形成的三维空间驻波场和反向亥姆雹谊线圈产生的梯度磁场构成。磁场的零点与光场的中心重合，负失谐的激光对原子产生阻尼。梯度磁场与激光的偏振相结合产生了对原子的束缚。这样就在空间对中性原子构成了一个带阻尼作用的简谐势阱。可以看出想要制备单原子单光子源，需要构建一个非常昂贵和复杂的系统，这样的系统毫无可集成性可言。而且这种束缚是非常不稳定的，原子很快就会跑掉，需要从新操作捕获新的单原子。3)衰减激光。由于一直缺乏稳定可靠并且效率高的通讯波段(1550纳米)单光子源，现在的量子通信中一般使用衰减激光替代。实际使用中就是把经典激光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1个光子级别，从而大部分激光脉冲是不含光子，只有个别脉冲含有I个光子，还有更少量的含有多个光子。激光脉冲处于相干态上，也就是说光子数分布为泊松分布，而激光的衰减是线性的，衰减后的光脉冲光子数分布依然为泊松分布，分布性质没有任何改变。而单光子态是一种亚泊松分布，所以通过衰减得到的量子光源不是真正的单光子源，给量子通信中的安全性带来隐患。另一方面，量子变频技术这些年得到了很大的发展。所谓的量子变频，就是在改变输出光子频率的同时，保持输入之前的量子态。目前为止，比较成熟的量子变频技术是基于原子系综的频率变换，即原子吸收一个光子，发射出另一个频率不同的光子。这种方法的缺点是输入输出光子的频率必须和原子的能级吻合，同时线宽也必须很窄。另外，为了解决单光子长距离光纤通讯问题，某一科研小组最先实现了把量子点发射的单光子频率转换到1550纳米通讯波段。在他们的方案中，量子点的发光在911纳米。为了把它转换到1560纳米，他们使用了一束和量子点发光相同位置的锁模脉冲激光与另一束1560纳米的连续激光通过周期性极化铌酸锂晶体差频后得到了一束2.2微米的泵浦光，再用这束泵浦光与911纳米的单光子在周期性极化铌酸锂晶体波导中相互作用，把单光子的波长转换到了 1560纳米。另一个小组通过搭建一套光学参量放大系统，把一束很强的532纳米连续激光转换到了 1550纳米，然后作为泵浦光把量子点发出的711纳米的单光子转换到了 1313纳米。但是，由于该科研小组应用到了多套昂贵和复杂的大型激光系统，所以对于实际量子网络建设来说成本较高，小型化和集成性也很差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可波分复用单光子源的产生装置，其兼容性较高且成本较低。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的:一种可波分复用单光子源的产生装置，该装置包括:单光子产生系统、泵浦光同步系统及量子变频系统；其中，所述单光子产生系统，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统；所述泵浦光同步系统，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光；所述量子变频系统，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，将单光子产生系统发出的单光子脉冲与另一束由泵浦光同步系统发出的泵浦光在量子变频系统中产生频率转换过程，产生1550纳米通讯波段的单光子，进而获得可波分复用的单光子源；该上述过程所采用的设备电光器件成本低且可集成性好，与现有的光纤通讯系统有非常良好的兼容性，得到单光子源的纯净度更高。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例一提供的一种可波分复用单光子源的产生装置的示意图；图2为本专利技术实施例二提供的一种可波分复用单光子源的产生装置的工作示意图；图3为本专利技术实施例二提供的一种775纳米量子点的荧光谱线的示意图；图4为本专利技术实施例二提供的一种周期性极化铌酸锂变频晶体结构的的示意图；图5为本专利技术实施例二提供的一种泵浦光强度与转换效率和信噪比的关系的示意图；【具体实施方式】下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可波分复用单光子源的产生装置，其特征在于，该装置包括：单光子产生系统、泵浦光同步系统及量子变频系统；其中，所述单光子产生系统，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统；所述泵浦光同步系统，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光；所述量子变频系统，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。
【技术特征摘要】
1.一种可波分复用单光子源的产生装置，其特征在于，该装置包括:单光子产生系统、泵浦光同步系统及量子变频系统； 其中，所述单光子产生系统，用于将产生的激光脉冲进行分束处理后，一束输入至所述泵浦光同步系统，另一束转换为单光子脉冲后输入至量子变频系统； 所述泵浦光同步系统，用于产生与所述单光子脉冲同步的泵浦光； 所述量子变频系统，用于对所述单光子产生系统发送的单光子脉冲及所述泵浦光同步系统发送的泵浦光进行频率转换处理，产生通讯波段的单光子源，并对所述通讯波段的单光子源进行波分复用处理，获得可波分复用单光子源。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单光子产生系统包括:脉冲激光器、光学分束器、第一显微物镜、低温光学腔与第二显微物镜； 所述脉冲激光器，用于产生预定波长的激光脉冲； 光学分束器，用于对所述激光脉冲进行分束处理； 所述第一显微物镜，用于将光学分束器反射的预定波长激光脉冲聚焦在所述低温光学腔中的量子点样品上； 所述第二显微物镜，用于将所述量子点样品发...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈耕，李传锋，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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