光通信波段全光纤能量-时间纠缠双光子源

  Yuting Liu, Junjie Xing, Zhiguang Xia, Run'ai Quan, Huibo Hong, Tao Liu, Shougang Zhang, Xiao Xiang, Ruifang Dong. All-fiber telecom band energy-time entangled biphoton source[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(3): 032701.

  量子纠缠光源

  量子纠缠光源是量子光学系统中的重要资源，在量子信息技术发展过程中扮演着不可或缺的角色。自发参量下转换（SPDC）过程是产生纠缠光子对最常见的方法，可以提供不同自由度的纠缠。其中，能量-时间纠缠在长距离光纤传输时，因其频率关联特性对链路损耗和退相干效应具有天然的鲁棒性而受到越来越多的关注，光通信波段的能量-时间纠缠双光子源已被应用于多种基于光纤的量子通信和计量实验中。

  能量-时间纠缠双光子源

  结构紧凑、性能稳定的能量-时间纠缠双光子源的产品化，对于量子信息技术从原理验证扩展到长距离实地光纤链路或网络上的应用具有至关重要的作用。迄今为止，基于连续激光泵浦SPDC过程产生的能量-时间纠缠双光子源得到了广泛研究。然而，此前报道的能量-时间纠缠双光子源除了质量和体积大的缺点外，光子对的产生效率和长期稳定性也无法完全满足长距离实地应用的要求。

  光通信波段全光纤能量-时间纠缠双光子源

  中国科学院国家授时中心的董瑞芳研究员课题组在Chinese Optics Letters ，2023年第21卷第3期（Y. Liu, et al., All-fiber telecom-band energy-time entangled biphoton source）报道了一种基于全光纤结构的光通信波段能量-时间纠缠双光子源，并被选为当期Editors’ Pick。

  为便于移动搬运，双光子源整机重量减为 5 kg，所有物理元件集成在一个36 cm × 21 cm × 16.5 cm的机箱中，如图1所示。该课题组测试了光子对的产生效率和纯度与泵浦功率之间的关系，在800 μW泵浦光功率下的双光子对产生率可高达6.9 MHz量级，同时有效符合与偶然符合比值（CAR）优于1150。通过测量Hong-Ou-Mandel （HOM）干涉可见度和CAR在60 μW泵浦功率下的长期性能，对双光子源波长和光子计数的稳定性进行了评估。在连续运行10小时内，直接测量的HOM可见度维持在91.8±0.8%，CAR稳定在10528.8±604.2水平。

图1 全光纤能量-时间纠缠双光子源：(a)原理图；(b)实物图；(c)不同泵浦光功率下的CAR以及双光子对的产生率；(d) Hong–Ou–Mandel (HOM)干涉可见度的稳定性测试

  此外，该双光子源已成功应用于100公里城市光纤链路上的量子时间同步实验、量子非定域性测试和量子微波光子学研究。这种基于全光纤结构的能量-时间纠缠双光子源具有结构紧凑、重量轻、稳定性高等优点，将为各种现场交钥匙量子通信和量子计量应用提供方便可靠的双光子资源。

  团队介绍

  中国科学院国家授时中心量子时间同步团队负责人为董瑞芳研究员，曾入选中科院“BR计划”、陕西省中青年科技创新领军人才，曾荣获陕西省青年科技奖、中科院“巾帼建功”先进个人，中科院“三八红旗手”称号。团队固定职工7人，其中3人入选中国科学院青年创新促进会。团队于2011年率先在国内开展量子时间同步研究，在国际上首次实现了10飞秒级量子时间同步精度，完成了自由空间和城域光纤链路上亚皮秒精度量子时间同步应用演示，推动了量子时间同步从前瞻基础研究到新兴前沿技术的发展。量子时间同步研究团队近五年发表论文70余篇，出版专著《基于激光的高精度时间频率传递和测距技术》，授权国家发明专利14件，获陕西省科学院科学技术一等奖。先后获国家自然科学基金重点/重大研究计划/面上/青年、中国科学院前沿重点等项目支持。