利用纠缠光子操纵二阶量子相干的空间结构

　　南京大学固体微结构国家实验室和物理学院团队利用中智科仪逐光2DSPC单光子相机研究纠缠光子的二阶空间量子相干性，成果近期以“Manipulating the Spatial Structure of Second-Order Quantum Coherence Using Entangled Photons”为题发表于期刊“Chinese Physics Letters”。

 

　　研究背景

 

　　光的高阶相干性揭示了传统干涉(如最著名的杨氏双缝干涉)中强度条纹所显示的一阶相干性之外的统计相关性。对高阶相干性的研究是由汉伯里-布朗和特维斯(HBT)在1956年的一次具有里程碑意义的干涉实验中开创的，在实验中观察到了热光的光子聚束效应。与热光源相比，量子光的高阶相干性揭示了量子粒子之间显著的统计特性。作为一种典型的量子光源，单光子源在时域上显示出反聚束效应。光子的聚束和反聚束行为通常用时域的二阶量子相干度来描述，其量化方式为，其中，是两个探测光子的到达时间差。如图 1(a)所示，理想单光子源的，表明其本质为 "单光子"。对于反聚束效应，，这源于亚泊松光子统计并表示真正的量子现象没有经典对应物。在时域控制高阶量子相干性对量子信息和量子光学产生了重大影响。因此，在空间域主动操纵这一量子特征有望发现新的量子效应、现象和应用。高阶量子相干中的空间结构蕴含着巨大潜力，然而，实现高阶空间量子相干性的按需操纵仍然具有挑战性。

 

　　图 1. 二阶时间量子相干性与二阶空间量子相干性的比较。(a) 二阶时间量子相干度用于描述时域的聚束和反聚束统计。(b) 二阶空间量子相干度描述了空间结构纠缠物理的量子空间相关性。

 

　　在这项工作中，从理论上提出并在实验上验证了对空间结构纠缠光子的二阶空间量子相干性的主动操控，如图 1(b)所示。有两个物理量与光子对的二阶空间量子相干性有关，即二阶空间量子相关函数和二阶空间量子相干度。在理论上，开发了一种将空间结构光子的纠缠映射到二阶空间量子相干性的方法，这种方法对于两个或更多纠缠光子具有良好的可扩展性。实验中，通过测量空间纠缠光子对的来验证提出的方法。实验的关键是将两个动量不相关光子的偏振纠缠转移到空间结构纠缠上。研究成果有可能为量子信息的新可能性铺平道路，并增强对光子系统的控制。

 

　　实验方法

 

　　对空间量子相干性的控制方法在于将全局偏振纠缠转化为空间纠缠。两个光子最初在的偏振纠缠态下制备。利用图2所示的纠缠传递单元(Entanglement Transfer Unit，ETU)，适当地选择偏振符合通道，通过精心设计的结构相位纠缠来主动操纵双光子的统计特性。

 

　　图 2. 操纵空间结构纠缠光子二阶量子相干的空间结构的实验装置

 

　　实验装置

 

　　实验装置部分的总结如下：

 

　　光子对产生：通过飞秒激光泵浦由BBO+HWP+BBO 组成的三明治状 II 型晶体，通过非共线的自发参量下转换(SPDC)过程产生偏振纠缠的光子对。

 

　　相关性消除：利用单模光纤和3nm窄带滤波器消除了光子对的动量和频率相关性，简化了光子对的波函数。

 

　　纠缠传递单元(ETU)：利用由偏振依赖模式切换装置组成的ETU生成结构相位纠缠态，ETU1和ETU2分别应用于路径A和B的光子。

 

　　空间结构纠缠：通过ETU，偏振纠缠的光子对被转换为具有连续变化空间相位(如轨道角动量OAM)或离散变化空间相位(如图案化相位)的纠缠态。

 

　　成像和检测：信号光子被引导至一个像增强型CMOS相机进行成像，而闲置光子通过一个扇形掩模并被多模光纤收集，连接到单光子雪崩二极管(SPAD)探测器。SPAD探测器的信号触发ICMOS相机捕获不同掩模取向角度下的时空符合分布图像。

 

　　同步和时间补偿：为了确保在SPAD探测器和相机处检测到的光子的时间相关性，需要对ICMOS触发机制引入的电子延迟进行补偿。通过在相机臂中增加额外的光纤长度来实现这一点。

 

　　实验结果获取：通过测量单光子强度分布和双光子联合概率分布，实验提取了二阶空间量子相关函数

 

　　实验验证

 

　　图3. 轨道角动量-纠缠双光子态[(a1)-(a4)]与可分离双光子态[(b1)-(b4)]的结果比较。(a1) ICMOS 相机在路径 A中捕捉到的双光子符合分布，由路径 B 中的光子触发，扇形掩膜有四个不同的方向角。右列显示左列的相应展开图。(a2)。(a3) 路径 A 中的单光子强度分布(即光子数)及其相应的展开模式如下所示。(a4) 能见度为 0.6 的的特征。

 

　　图 4. 纠缠双光子态(a1)-(a2)和可分离双光子态(b1)-(b2)的的反强度扰动。(a1)-(a2) :当纠缠的双光子态的强度模式不受干扰和受到干扰时，其测量值如右上方插图所示，双条纹掩膜的图像是重新显示的。右下插图描绘了相应的函数。(b1)-(b2)描述与(a1)-(a2)一致。

 

　　为阐明高阶相干性操纵中量子纠缠的重要作用，给出了一个与可分离乘积态结果的比较。例如，图 3(a1)-3(a4) 和 3(b1)-3(b4) 分别显示了双光子纠缠态和可分离双光子态的实验结果。函数易受一阶相干的空间结构的影响，这使得很难精确地表征二阶相干特征。特别地，我们证明了基于的信号具有独特的特征，即抵抗强度干扰，如图4所示。

 

　　总结

 

　　综上所述，我们首次在理论和实验中证明了对二阶量子相干性空间结构的主动操纵。这种操作是通过将空间结构纠缠光子的纠缠映射到二阶空间量子相干性来实现的。空间结构纠缠光子是由偏振纠缠光子通过纠缠从偏振转移到OAM(使用q平板)或图案相位(使用SLMs)产生的。实验结果明确地验证了该方法的可行性。空间域的高阶量子相干性在从成像和全息到显微镜的量子应用中发挥了关键作用。对高阶空间量子相干性的主动控制不仅能够在这些应用中发挥更大的潜力，而且为基于高阶相干性的量子信息和量子光学开辟了新的机遇。此外，我们的方法可以扩展到高阶量子相干性控制，如四个光子的四阶空间相干性。

 

　　论文链接：

 

　　https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256307X/41/7/074205

 

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　　解决方案

 

　　中智科仪自主研发的2DSPC(2D Single Photon Counting Camera)单光子相机是一款极具先进性的成像探测器，能够高精度地识别单个光子的位置信息。其拥有庞大的170万像素二维阵列，能够同时捕捉并记录进入探测单元的所有单光子事件。通过实时光子识别算法的运用，相机能够有效地消除由电子学读出和暗噪声引起的干扰，从而获得具有高信噪比的光子空间分布信息。

 

　　2DSPC单光子相机采用了高量子效率、低噪声的第二代Hi-QE和第三代GaAs像增强器技术，使其能够实现出色的性能。其光学门宽可缩短至仅有500皮秒，全分辨率帧速更可高达每秒98幅。此外，相机还内置了皮秒级精度的多通道同步时序控制器，辅以SmartCapture软件进行可视化时序设置，使其在皮秒和纳秒级时间分辨率的科学实验中能够精准应用。

 

　　这款2DSPC单光子相机不仅在技术上具备卓越的能力，还在多领域的科学研究中具有广泛的应用前景。

 

 

　　01、单光子探测灵敏度：

 

　　以单光子探测灵敏度捕捉微弱信号;

 

　　02、500皮秒光学快门：

 

　　皮秒级别的时间分辨率;

 

　　03、阵列单光子计数采集：

 

　　170万像素同步单光子计数成像采集;

 

　　04、精准的时序控制器：

 

　　三路独立输入输出的时序同步控制器，同步精度高达10ps，可实现与激光器以及其他装置的精准同步;

 

　　05、创新“零噪声”探测：

 

　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。