2022年春季：硅量子光子电路的频率简并极化产生与动态调控

芯片|Vol 1 |2022年春季刘，D.- N.等人Chip1，11月7芯片研究文章PHOTONICSDOI：10.1016/j.chip.2021.100001频率简并极化的产生与动态调控利用硅量子光子电路刘冬宁1，<$，郑敬元1，<$，余玲杰1，<$，薛锋1，刘芳1，崔开宇1，黄义东1，2张伟1，2，张伟1清华大学电子工程系北京国家信息科学技术研究中心北京未来芯片创新中心量子信息前沿科学中心北京量子信息科学研究院，北京100193[2]这些作者对这项工作的贡献相当E-mail：zwei@tsinghua.edu.cn（Wei Zhang）Cite as：Liu，D.- N.等人Chip1，1（2022）。https://doi.org/10.1016/j.chip.2021.100001收稿日期：2021年11月3日接受日期：2021年在线发布：2022年提出并实现了一种用于产生和动态操纵电信波段频率简并偏振纠缠Bell态的硅量子光子电路。利用自发四波混频在四个硅波导中产生频率简并双光子态通过片上量子干涉和量子叠加将它们转化为极化纠缠Bell态，然后耦合到光纤中。在两个非正交偏振基下，通过双光子干涉证明了所产生光子对的偏振纠缠特性通过简化的Bell态测量，证明了输出态可以在两个Bell态之间动态切换。实验结果表明，操作速度可支持几十kHz的调制速率，在需要Bell态编码和动态控制的量子通信和量子信息处理等应用中显示出了巨大的潜力关键词：量子信息处理，硅量子光子电路，自发四波混频，量子干涉，贝尔态介绍基于SOI（silicon on insulator）平台的硅光子学是一条很有前途的量子光子电路路线，它可以实现大规模、高稳定性的复杂片上光子量子信息系统1一方面，硅波导是好的，χ（3）电信频段的非线性介质。利用自发四波混频（SFWM），在几毫米的硅波导中可以产生高质量的关联双光子态如果使用由硅波导组成的器件中的谐振，例如微环谐振器9-12，则可以进一步提高发电效率另一方面，基于SOI平台的硅光子学与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术13、14兼容。基于片上干涉仪的硅光子电路已经被开发用于通过量子干涉进行量子态操纵15这些干涉仪中的量子结合硅波导中的SFWM和硅光子电路用于量子态操纵，已经实现了用于各种双光子态产生的电信波段量子光源18，19。这些工作表明，硅量子光子电路的输出态可以通过片上移相器来控制。然而，片上量子态操纵的动态过程还没有得到演示。为了展示在硅量子光子电路上进行动态量子态操纵的潜力，我们重点研究了用于频率简并偏振纠缠Bell态产生和操纵的量子光源。众所周知，信息可以通过这些贝尔态编码并通过基于线性光学20的贝尔态测量（Bell state measurement，BSM）解码，其已经广泛用于量子密集编码21和基于纠缠的量子安全直接通信22的实验中。传统上，通过非线性晶体23、24中的自发参量下转换（SPDC）产生偏振纠缠双光子态。近年来，利用周期极化非线性晶体波导25、GaAs波导26和SiN波导27中的SFWM等χ（2）波导中的SPDC产生双光子态的研究发展迅速，显示了它们在不同材料平台上集成量子光子学的潜力。为了利用硅量子光子电路实现偏振纠缠双光子态的量子光源，已经提出并论证了几种基于硅波导中SFWM的方案7，28，29。在硅波导中，基本准横电（准TE）模式在双光子态生成中是优选的，因为在该模式中SFWM的效率比在其他模式中的效率高得多30。因此，需要特定的设计来实现具有正交偏振方向的双光子态的量子叠加，例如修改的Sagnac环7、嵌入硅波导28中间的偏振旋转器或二维光栅29。然而，在这些方案中，只有一个单色泵浦光研究文章DOI：芯片|Vol 1 |2022年春季刘，D.- N.等人Chip1，12月7+=+∼31×∼|）|）|）|）|）|）| ） =的|）|）|）=的图1|用于偏振纠缠Bell态产生和动力学操纵的硅量子光子电路。(a)非简并泵浦下的SFWM。（b）量子光源的电路设计。WG：硅波导光栅; BS：分束器;TPS：热移相器; W：长硅波导; 2-D WG：硅波导二维光栅（c）和（d）分别是电路样品和2-D WG的照片并且信号光子和闲频光子具有不同的频率。由于基于线性光学的BSM中的量子干涉过程要求两个输入光子除了偏振自由度之外是不可区分的，因此这种频率非简并态不能用于信息编码和解码。在本工作中，我们提出并实现了一种在电信波段实现频率简并极化纠缠Bell态产生的它是基于四个硅波导准TE基模的SFWM为了产生频率简并双光子态，应用非简并泵浦方案，如图1（a）所示。在两束不同频率的泵浦光的激励下，两个不同频率的泵浦光子（记为ωp1和ωp2）被湮灭，而两个相同频率的光子（记为ωs，i）同时产生。SFWM满足能量守恒，导出了ωp1ωp22ωs，i.通过片上量子干涉和量子叠加，将四个硅波导中产生的双光子态转换为偏振纠缠Bell态，并耦合到光纤中。通过电信号调节量子干涉和量子叠加的相位，可以实现输出态在两个偏振纠缠Bell态之间的动态操纵的性能进行了测量，显示其应用程序需要动态贝尔状态控制和信息编码的潜力。硅量子光子晶体硅量子光子电路制作在SOI衬底上，硅层厚度为220 nm 其草图如图所示。第1段（b）分段。它有六个输入/输出端口，分别用端口1和6表示两束不同频率的泵浦光分别通过端口1和端口2注入到光路中。它们都通过硅波导上的光栅（用WG表示）耦合到硅波导的准TE基模。然后他们被分成四个长硅波导（由W1和W4表示）通过三个50：50分束器，TERS（由BS 13表示）。光路上所有的50：50分束器均由22个多模干扰（MMI）装置。四个硅长波导作为SFWM的非线性介质，其长度均为1cm。当泵浦光沿这些波导传播时，通过SFWM产生双光子态W1和W2中产生的该干扰的相位可以通过W1上的热移相器（TPS 2）来调整。这种量子干涉的输出态是表示为W束和W分裂的两个双光子态的叠加。对于W束团的光子对，两个光子总是从同一个端口输出，但它们选择哪个端口是随机的。相反，对于W分裂的光子对，两个光子总是分别从两个不同的端口输出。为了实现偏振纠缠Bell态的产生，需要通过TPS2控制干涉相位将输出态调整到W分裂该状态可以表示为BS 4的两个输出端口，其中“c”和“d”分别表示BS 4的两个类似地，在W3和W4中产生的双光子状态BS 5的输出状态也可以调整为W分裂，可以表示为：cr、drBS5，其中“c r“和“d r“表示BS 5的两个输出端口分别BS 4和BS 5的每个输出端口连接到两个硅波导上的二维光栅（2-D WG），如图所示。第1段（b）分段。最近，2-D WG已经成为硅量子光子电路的重要组成部分，以实现高保真度的路径编码态和偏振编码态之间的转换29，32-34。在该电路中，两个2-D WG是光子电路的两个输出端口（端口5和6），通过其将生成的光子对耦合到两个光纤。2-D WG的两个输入波导中的光子将耦合到输出光纤35、36的两个正交偏振模式中，这两个正交偏振模式分别由“H”和“V”表示这样，光路上的路径自由度就转化为两个输出光纤中极化方向的自由度。它们之间的关系如表1所示。研究文章DOI：芯片|Vol 1 |2022年春季刘，D.- N.等人Chip1，13月7..∼∼∼|）|）|）W. H，Ve V，H（1）|）表1 |BS 4/5光纤的输出端口与输出光纤偏振方向的关系。分束器输出端口光子电路光纤中的偏振方向“c” of端口5H“d” of端口6V“c端口5V“d端口6H根据这一关系，在两个光纤中的输出双光子态为：1iα|）=102|）+的|）它是一种最大偏振纠缠态。α是量子叠加的相位，其可以由BS 1和BS 3之间的热移相器（TPS 1）调节。特别地，如果α被调整为0或π，则可以如下产生两个偏振纠缠Bell态，12016- 05 -2200：00：00（|H，V）±|（二）基于线性光学的背散射模式可以区分这两种双光子态。电路采用标准CMOS工艺制作在SOI衬底电路样品的照片和2-DWG的细节如图所示。 1（c）和（d）。值得注意的是，端口3和4是分别连接到BS 2和BS 3的辅助输入端口它们被用来校准光子电路上的热移相器和测量输出双光子态的实验装置在测量中，频率简并的光子对将在单光子探测器之前被光学滤波器选择。实验结果光子对中两个光子的不可分离性。实验中，泵浦光的波长分别为1555.7nm和1549.3nm。首先，它们被组合并注入端口3，刺激波导W1和W2中的SFWM所产生的双光子态在50：50分束器BS 4处干涉该干涉的相位由热移相器TPS 2控制。来自端口5和6的输出光子耦合到两个光纤。产生的频率简并光子对被光学滤波器选择，并被两个单光子探测器探测。滤波器的中心波长为1552.5nm，半高宽它们的边带抑制比均超过100 dB，消除了泵浦光的影响。单光子探测器基于近红外雪崩光电二极管，效率为20%，暗计数率为100 Hz。(a)显示了两个单光子探测器在TPS 2上不同电压下的符合计数（根据欧姆定律，由电压的平方表示）。可以看出，符合计数随电压的平方正弦变化，显示出量子干涉的条纹。这与理论分析一致，即经过BS4后的输出态是W束团和W分裂的叠加态，叠加态的相位可以由TPS2控制。特别是，如图2（a）中的红色箭头所示，当电压为7.47 V时，符合计数达到最大值它对应于输出态仅包括W分裂的情况，并且一对中的两个光子分别被分离到端口5和端口6在此条件下，我们进行了HOM干涉实验，以检验产生的光子对中光子之间的不相容性一个50：50的光纤耦合器连接到两个输出光纤从光纤耦合器输出的光子通过光学滤波器后由单光子探测器检测符合计数在光纤耦合器的一个输入端口处，放置光纤极化控制器以通过使输入光子在偏振方面不可区分来最大化量子干涉。在光纤耦合器的另一个输入端口，放置一个可变延迟线，以调整一对中两个光子之间的时间延迟。图2（b）显示了不同时间延迟下的符合计数。可以看出，当时间延迟接近零时，条纹显示出明显的倾斜，这是HOM干涉的特征。图中的红线是HOM下降的拟合曲线，假设频率简并光子对的光学滤波器具有矩形透射谱。HOM下降的原始可见度为91.0%。类似地，我们还测量了通过将泵浦光注入端口4而在波导W3和W4中产生的光子的HOM干涉。结果如图2（c）所示。条纹也显示出清晰的HOM干涉特征，原始可见度为93.9%。影响光子数的因素包括噪声光子数、暗计数和成对光子的损耗差。这些结果表明，所产生的光子对的光子具有良好的不可分辨性，特别是其光谱特性。产生的光子对的偏振纠缠。通过两个非正交偏振基下的双光子干涉实验，证明了偏振纠缠的性质在本实验中，两束泵浦光分别从端口1和端口2注入到光子晶体中。通过控制TPS2和TPS3上的电压，将BS 4和BS 5之后的双光子状态调整为W分裂 在此条件下，得到了频率简并的偏振纠缠双光子态Eq. (1)将被产生并从端口5和端口6耦合到两个光纤。实验设置如图3（a）所示。光纤中的输出光子通过偏振分析器，经滤光片后由单光子探测器探测。偏振分析仪包括光纤偏振控制器（FPC 1和FPC 2）、旋转半波片（HWP 1和HWP 2）和固定偏振器（P1和P2）。旋转的半波片和固定的偏振器被安装在具有光纤准直器的工作台上。实验前用波长为1552.5nm的探测光进行准直当HWP 1的方向为0°和22.5°时，测量了两个单光子探测器在HWP2不同方向上的单边计数和符合计数单侧计数的结果如图3（b）所示。可以看出，单侧计数随着HWP 2的变化方向具有小的波动造成这种波动的一个可能原因是由于分束器（特别是BS 1）的非理想分束比导致的泵浦分布不平衡另一方面，2-D WG中的偏振相关损耗（PDL）也可能导致波动，这可以通过最近开发的更复杂的2-DWG设计来消除36。值得注意的是，电路上的这些非理想性也会影响符合计数的结果，如图1所示。 3（c）. 两条正弦条纹的原始亮度分别比标准高89.5%和77.7研究文章DOI：芯片|Vol 1 |2022年春季刘，D.- N.等人Chip1，14月7==|）|）|）|）|）图2|两种非正交偏振基下双光子干涉的实验结果。(a)实验设置。输出光子由两个光纤收集并发送到偏振分析器。（b）单侧计数和（c）当HWP 1的方向设置为0°（红色方块）和22.5°（蓝色圆圈）时，HWP 2的变化方向的符合计数。误差线来自光子的泊松分布。图 3|极化纠缠Bell态产生的实验演示。（a）在TPS1上不同电压下的符合计数。蓝色和红色箭头表示|W+）和|W-）。（b）在50：50光纤耦合器上，两个光子对在不同时延下的符合计数的结果|W+）和|W−）分别由红色空心正方形和蓝色实心圆形表示。贝尔不等式23因此，产生的光子对中的光子在偏振中纠缠。由光子电路产生的两个偏振贝尔态图3的实验结果表明，该光子电路产生的电信波段偏振纠缠双光子态为：(1).在这种状态下，相位α可以由热移相器TPS 1控制.因此，在α0而απ，其显示在Eq. (2).他们可能会被歧视，基于50：50光纤耦合器的简化BSM。对于光子对，W-时，成对的两个光子将分别从50：50光纤耦合器的两个不同端口输出，导致一个符合计数。为W+的光子对，成对的两个光子将从同一端口输出。因此，不会记录符合计数。在实验中，光子电路的两个输出光纤连接到光纤耦合器通过可变延迟线和光纤偏振控制器。光纤耦合器输出的光子由两个带滤光片的单光子探测器探测。首先，我们优化了TPS1上的电压、可变延迟线的设置和光纤偏振控制器，以实现最小的符合计数，这对应于W+。然后，我们在TPS 1上测量了不同电压 结果见图 4（a）. 是随TPS 1上电压平方变化的正弦曲线。蓝色箭头和红色箭头表示条纹上最小和最大重合计数的电压，这分别是产生W+和W-的条件。我们将TPS 1上的电压设置为条件，并测量不同时间延迟下的符合计数在两种情况下，通过调谐可变延迟线，可以在成对的两个光子之间进行测量 结果示于图 4（b）. 图中的红色空心方块和蓝色实心圆圈是|W+）和|W-）。研究文章DOI：芯片|Vol 1 |2022年春季刘，D.- N.等人Chip1，15月7|）|）=|）|）图4|两个极化纠缠Bell态的动力学操纵。(a)方波重复频率为1kHz，计数时间为600s。（b）方波重复率为20千赫及计数时间为1200秒的结果。图 5|光子对中双光子的不可分离性实验（a）在BS4处W1和W2中产生的双光子态之间的量子干涉结果。（b）在W1和W2中产生的频率简并光子对中的光子之间的HOM干涉的结果（c）在W3和W4中产生的频率简并光子对中的光子之间的HOM干涉的结果误差线来自光子计数的泊松统计。可以看出，当时间延迟很大时，它们几乎相同，因为在这种情况下没有量子干涉发生。另一方面，当时间延迟接近零时，它们之间出现了显著的差异，这表明两个双光子态可以通过简化的BSM来两个条纹的原始可见度为87.2%，其计算如下：恩塞。可以看出，测量的F略低于图2所示的HOM干涉的原始频率。然而，这些结果清楚地表明，通过对光子回路的电控制，成功地产生了两个偏振纠缠Bell态W+和W-- 是的基于线性光学原理的边界扫描法可以很好地分辨出它们FCmax−CminCmax+C min（三）两个极化纠缠Bell态的动力学操纵Dy-其中，Cmax和Cmin表示W-1的最大符合计数。和W+的最小符合计数。由于这些偏振纠缠态的产生和测量需要更多的由于测量系统中片上热移相器调整和偏振准直过程复杂，测量对环境变化比HOM干涉法更敏感极化纠缠Bell态的动力学操纵具有重要意义在需要量子编码的量子通信和量子信息处理中的应用，如量子密集编码和量子保密直接通信等。之间|W+）和|W−）。我们通过模拟演示了该功能研究文章DOI：芯片|Vol 1 |2022年春季刘，D.- N.等人Chip1，16月7|）∼|）|）|）|）|）|）|）|）|）|）|）|）简化的BSM。将方波信号施加到TPS 1上，将周期的前半部分和后半部分中的电压分别设置为W+和W-的电压。在优化的条件下，通过测量耦合器输出光子的符合计数，控制所述可变延迟线和所述光纤偏振控制器。 将一个周期的方波分成40个时间仓，并在这些时间仓中对不同周期的符合事件进行图5（a）和（b）中所示的在这些图中，每个条表示特定箱中的符合计数。可以看出，符合计数在第一和第二半的一个在1 kHz重复频率下，输出双光子态在W~+和W~-之间转换成功。当重复率增加时到20 kHz，可以观察到双光子态操纵的瞬态过程。结果表明，该光子电路支持几十kHz的动态操纵速度对于具有热移相器37、38的硅光子电路是典型的。据我们所知，这是第一个演示的片上动态操纵纠缠双光子态。值得注意的是，如果将基于电光效应的移相器应用于该光子电路设计中，则可以获得更高的调制速度。最近开发的硅和锂的混合物器件在这一应用中显示出巨大的潜力39。结论本文利用硅量子光子电路实现了偏振纠缠Bell态的产生和动态调控在光子电路中，利用SFWM在四个长硅波导中产生了双光子态。通过量子干涉和量子叠加将它们转变为偏振纠缠贝尔态，然后通过光纤输出。在两个非正交偏振基下的双光子干涉实验表明了输出态的偏振纠缠特性，得到的原始干涉条纹亮度分别为89.5%和77.7%输出状态可切换为-通过施加在热相移器上的电信号，在两个偏振纠缠Bell态W+和W-之间这一点得到了证明，一个简化的BSM实验，在W+和W−的一致性测量中显示出87.2%的可见度。通过在热移相器上施加方波信号，观察了Bell态调制的动态过程。实验结果表明，硅量子光子电路支持几十kHz的调制速率，在需要Bell态编码和动态控制的量子通信和量子信息处理等应用中显示出巨大的潜力。方法实 验 装 置 。 实 验 中 ， 两 束 泵 浦 光 的波长分别为 1555.7nm 和1549.3nm。首先，它们被组合并注入端口3，在波导W1和W2中刺激SFWM所产生的双光子状态在50：50分束器BS 4处干涉。该干涉的相位由热移相器TPS 2控制。来自端口5和6的输出光子耦合到两个光纤。产生的频率简并光子对被光学滤波器选择，并被两个单光子探测器探测。滤光片的中心波长为1552.5nm，半高宽为60GHz。它们的边带抑制比均大于100dB，消除了泵浦的影响灯. 单光子探测器基于近红外雪崩光电二极管，效率为1.20%，暗计数率为1.100Hz。片内生成W分割。图5（a）示出了两个单光子探测器在TPS 2上的不同电压下的符合计数（根据欧姆定律由电压的平方可以看出，符合计数随电压的平方呈正弦变化，显示出量子干涉的条纹。这与理论分析一致，即经过BS4后的输出态是W束团和W分裂的叠加态，叠加态的相位可以通过TPS2来控制。特别是，如图5（a）中的红色箭头所示，当电压为7.47 V时，符合计数达到最大值。它对应于输出态只包括W分裂，一对光子分别被分离到端口5和6的情况。光子对中两个光子的不可分离性在片上产生W分裂的条件下，我们进行了HOM干涉实验，以检验产生的光子对中光子将50：50光纤耦合器连接到两个输出光纤。从光纤耦合器输出的光子通过光学滤波器后由单光子探测器检测符合计数。在光纤耦合器的一个输入端口处，放置光纤偏振控制器以通过使输入光子在偏振上不可区分来在光纤耦合器的另一个输入端口处，放置可变延迟线以调节成对的两个光子之间的时间延迟。图5（b）显示了不同时间延迟下的符合计数。可以看出，当时间延迟接近零时，条纹显示出明显的倾斜，这是HOM干涉的特征。图中的红线是HOM下降的拟合曲线，假设频率简并光子对的光学HOM下降的原始可见度为91.0%。类似地，我们还测量了通过将泵浦光注入端口4而在波导W3和W4 结果示于图 5（c）. 条纹也显示出清晰的HOM干涉特征，原始可见度为93.9%。影响光子数的因素包括噪声光子数、暗计数和光子对中这些结果表明，所产生的光子对的光子具有良好的不可分辨性，特别是其光谱特性。引用1. 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