InGaAs单光子探测器与布拉格反射波导纠缠光源研究

论文摘要

随着量子信息技术的不断发展,在量子保密通信领域中,我国已经完成了“京沪干线”等城际量子通信网络建设,“墨子”号卫星的发射以及实验;在量子计算领域中,科研人员已经研制出多达72量子比特的原型机。尽管有这些振奋的成绩,量子信息技术依然任重道远。设备无关的量子密钥分发尚未实验成功,移动终端的量子保密通信依然在研究阶段,“量子霸权”尚未实现,量子计算机的实用化、商业化依然任重道远。其中的一个原因是使用的很多器件不完美、达不到理论要求。纠缠光源和单光子探测器是量子信息中的两个关键器件,其性能的好坏关系着整个量子信息系统性能的好坏。集成化的纠缠光源具有更好的稳定性、易于调整的结构、较小的系统尺寸等优势,是当前的一个热门研究方向。本文针对集成化的纠缠光源产生和单光子探测器进行理论和实验研究。主要完成了以下几方面的工作:1、对布拉格反射波导进行优化设计,并分析其在量子光学应用中的性能表现。我们首先使用一种半自动的在一维结构中求解波导本征模式的方法,实现从众多光波模式中找到所需要的光波模式,计算出所关注的色散、重叠度等特征。其次我们设计模拟退火算法计算出使波导性能达到最优的波导参数。再次我们使用二维仿真软件对波导结构进行仿真,分析了波导的多项性能。最后我们研究该布拉格反射波导参量下转换产生的光源在量子光学应用中的性能。结果显示由于优化后的信号光和闲散光之间的频谱重叠度和时间重叠度得到大幅提升,使得本文设计的布拉格反射波导能够胜任多项量子光学任务。2、设计并实现time-bin纠缠光测试实验。我们首先对布拉格反射波导进行了发光测试实验,结果显示其符合计数与偶然计数之比（CAR）高达9260±150。然后我们将布拉格反射波导参量下转换产生的光子对制备成time-bin纠缠态,首次实现了对布拉格反射波导产生的光子对进行time-bin纠缠实验。在没有经过任何噪声去除的情况下,依然得到很高的纠缠度、并发度（concurrence）和保真度（fidelity）。我们的实验结果为布拉格反射波导提供了一种实现低背景噪声、高纠缠度的光子对制备方法。3、研制了门控频率可调的半导体单光子探测器。本文设计的单光子探测器与此前的雪崩光电二极管单光子探测器采用的自差分方法或者滤波方法不同。我们使用模拟数字转换器来采集信号,通过比较采样得到的电压实现从噪音中鉴别出雪崩信号。该方法可以实现探测器门控信号的频率连续调节。本文进行了在室温和低温环境下的实验测试,其性能与基于自差分和滤波方法的单光子探测器在同一个水平,但本文设计的单光子探测器的门控频率可以在很宽的范围内进行调节,将令其更易于实用化和商业化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号使用说明
• 第一章 绪论
•   1.1 课题背景及研究意义
•   1.2 集成化量子纠缠光源平台研究现状
•     1.2.1 硅基材料平台
•     1.2.2 铌酸锂晶体
•     1.2.3 金刚石平台
•     1.2.4 GaAs平台
•   1.3 本文主要研究工作
• 第二章 相关理论基础
•   2.1 光学非线性过程
•     2.1.1 非线性电极化强度和麦克斯韦方程
•     2.1.2 三光波相互作用的耦合波动方程
•   2.2 GaAs材料性质
•   2.3 GaAs波导的相位匹配技术
•   2.4 周期性媒质中波的传播
•   2.5 布拉格反射波导（BRWs）结构
•   2.6 Time-bin量子纠缠
•   2.7 本章小结
• 第三章 布拉格波导设计与仿真
•   3.1 引言
•   3.2 一维结构计算与设计
•     3.2.1 BRWs自动分析
•     3.2.2 随机优化和模拟退火算法
•   3.3 二维结构仿真分析
•     3.3.1 波导结构参数的变化对相位匹配波长的影响
•     3.3.2 信号光和闲散光的时域重叠
•     3.3.3 信号光和闲散光的频谱重叠
•     3.3.4 BRWs在量子光学的应用
•   3.4 本章小结
• 第四章 Time-bin纠缠光源产生实验
•   4.1 引言
•   4.2 背景和相关工作
•   4.3 实验方案
•   4.4 BRW产生光子对性能
•   4.5 Time-bin纠缠光子对的制备与测量
•     4.5.1 符合计数与干涉可见度
•     4.5.2 密度矩阵
•   4.6 本章小结
• 第五章 重复频率连续可调的单光子探测器
•   5.1 引言
•   5.2 单光子探测器研究现状
•     5.2.1 光电倍增管
•     5.2.2 超导单光子探测器
•     5.2.3 雪崩光电二极管
•   5.3 实验方案
•   5.4 实验结果与分析
•     5.4.1 低温下测试
•     5.4.2 室温下测试
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 论文主要工作
•   6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈欢

导师: 梁林梅,Gregor Weihs

关键词: 参量下转换,量子纠缠,量子光学集成芯片,纠缠,单光子探测器,门控频率可调

来源: 国防科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 国防科技大学

分类号: O413;TN918

DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000094

总页数: 133

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