宣布式纠缠单光子源及量子化光辐射量值溯源体系研究

俞 兵，金伟其，袁林光，杨鸿儒，吴 磊，马世帮，尤 越，陈 娟

(1.北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081；2.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

宣布式纠缠单光子源也称概率性单光子源，即可以准确预测单光子的产生，产生方法主要有参量下转换法、四波混频法等非线性光学方法。宣布式纠缠单光子源虽然不是确定性的单光子源，由于其宣布式的特点在光通讯、量子信息处理，以及超弱光子辐射探测等诸多应用中都具有极为重要的实际意义[1～6]。

传统的利用非线性晶体参量下转换方法可以产生在时间、能量、动量、极化、角动量上相关的光子对，可将红外波段的测量转换为可见光波段的测量[7,8]。在原子系综中利用四波混频过程可以产生窄线宽纠缠光子对，同时利用电磁诱导透明的慢光效应和三阶非线性系数增强效应可以动态调制纠缠光子对的波形，相比参量下转换法具有线宽窄、相干时间长(μs量级)、可在较长时间间隔内产生高质量纠缠光子对、纠缠光子对产生时间间隔接近于均匀分布等优点，使其成为目前可控单光子源的一个研究方向[9～12]。

本文设计了基于冷原子团的自发四波混频效应产生波长795 nm的宣布式纠缠单光子源，研究了背景辐射抑制与实时补偿，高精度激光稳频，时序脉冲精密同步等获得窄线宽、高质量的单光子源的关键技术，在此基础上，研究纠缠光子源参数校准方法，进一步探索建立了以单光子探测器/量子基准为基础的量子化光辐射溯源量传体系，满足f J(飞焦)至单光子量级、pW以下微弱功率能量溯源需求。

2 宣布式纠缠单光子源产生机理

宣布式纠缠单光子源产生原理为冷原子团在耦合光和泵浦光的作用下产生自发四波混频效应，如图1所示。其中耦合光ωc的波长为795 nm，泵浦光ωp的波长为780 nm，两束光的绝对频率稳定度 1 MHz，总功率范围为0 mW至20 mW可调。工作时耦合光与泵浦光同时相向照射在具有大光学厚度85Rb原子冷原子团上，在该过程中会辐射产生一对斯托克斯(Stokes)光子ωs和反斯托克斯(anti-Stokes)光子ωas， 该光子对具有在时间和频率上量子纠缠的特性。其中anti-Stokes光子波长为795 nm，脉冲宽度单位100～1 000 nm。通过对Stokes光子ωs的探测，可准确知道anti-Stokes光子ωas的产生情况，即宣布式纠缠单光子源。通过对泵浦光功率的调整，可以实现对单光子产生率的调整。

图1 宣布式纠缠单光子源产生机理图Fig.1 Generation mechanism of heralded

3 宣布式纠缠单光子源产生装置

宣布式纠缠单光子源产生装置如图2所示，主要包括铷原子二维磁光阱系统(MOT)、泵浦光和耦合光系统、精密时序控制系统、有效原子数和基态退相率测定系统。

图2 宣布式纠缠单光子源产生装置框图Fig.2 The generating device of heralded entangled single-photon sources

图2中的MOT用于产生二维线状铷冷原子团，由梯度磁场系统、激光冷却系统、回泵光系统和真空吸收池系统及铷原子释放系统组成。泵浦光和耦合光系统主要用来形成自发四波混频效应产生所需795 nm单光子，精密时序控制系统主要对系统中的所有激光和探测器进行时序上的精确控制。有效原子数和基态退相率测定系统用来测试决定产生的单光子质量的冷原子团有效原子总数和基态退相率两个关键参数[13]。宣布式纠缠单光子源产生装置产生的光子对经过1/4波片和偏振分光镜(PBS)后，耦合进单模光纤(SMF)，经SMF传输至单光子探测器(SPCM)进行采集分析。

宣布式纠缠单光子源产生装置核心技术指标:平均光子数(纠缠光子对)产生率1～105个/s；相干时间测量范围0.01～2 μs；相干时间测量不确定度U=5 ns (k=2)；量子二阶相关函数测量范围： 0～2， 量子二阶相关函数测量不确定度U=0.1 (k=2)。

3.1 背景辐射抑制与实时补偿

在宣布式纠缠单光子源产生装置中，涉及到冷却光，回泵光，泵浦光，耦合光和探测光等多束激光，同时环境中还存在大量杂散光子，为了获得高质量的单光子源，必须对这些背景杂散光进行有效的抑制。分别在单光子源的产生阶段，传播阶段和探测阶段这3个阶段对背景辐射进行抑制与实时补偿。

在单光子源产生阶段，为了尽量减少冷却光和回泵光对单光子的影响，在单光子产生时，通过精密时序控制电路将冷却光和回泵光进行短暂关闭，达到屏蔽冷却光和回泵光干扰的目的。

在单光子传播阶段，主要通过在泵浦光轴线偏离一定角度的方向收集双光子对，将单光子耦合进入单模光纤并且采用提高原子池表面面型减少散射的方案来实现传播途径上屏蔽杂散光的影响。

在单光子探测阶段，主要通过窄线宽滤光片配合时间选通技术实现在单光子探测阶段对杂散光的有效屏蔽。

3.2 高精度激光稳频

在冷原子自发四波混频效应过程中，对冷却光、回泵光、泵浦光、耦合光和探测光等激光的频率稳定度均有较高要求，为达到激光光源所需的高精度频率稳定性，采用种子光穿过如图3所示的铷原子光谱吸收池, 产生饱和吸收信号作为鉴频信号。

图3 铷原子光谱吸收池Fig.3 The absorption cell of rubidium atomic spectrum

通过比例-积分控制电路对外腔腔长和种子激光的激励电流进行反馈控制，将频率锁定在信噪比较高的交叉峰中，频率稳定度约1 MHz，从而实现激光频率的高精度稳定。

3.3 时序脉冲精密同步

为了使单光子产生过程持续高效率进行，需对装置中各路激光和探测器进行高精度的开闭控制。控制信号时序图如图4所示，典型的二维磁光阱工作时序以5 ms为周期，每个周期中4.5 ms的时间用在二维磁光阱中冷却和陷俘足够多的原子数，0.5 ms的时间窗口用来进行单光子产生或者冷原子团的参数的测定。因为不同电子设备之间依靠内部时钟信号之间会有累积误差，装置中所有的时序控制设备的时钟参考信号均会来自于一台独立的原子钟，其短期和长期稳定度均可达到实验所需的要求，时序同步精度小于1 μs[14]。

图4 控制信号时序图Fig.4 The sequence diagram of controlling signals

4 纠缠光子源参数校准

量子二阶相关函数、平均光子数和相干时间是评价纠缠光子源性能指标的核心参数，其中量子二阶相关函数采用HBT干涉法进行校准，平均光子数和相干时间在纠缠光子源参数校准装置上采用比对法进行校准。

纠缠光子源参数校准装置组成如图5所示。

图5 纠缠光子源参数校准装置组成Fig.5 The parameter calibration device of entangled photon sources

该装置主要由标准纠缠光子源、平均光子数测量装置、相干时间测量装置以及被校准单光子源等组成。通过纠缠光子源标准装置与待校准单光子源的平均光子数量相干时间测量值tS和tM的比值，得到标准纠缠光子源和被校准单光子源测量结果之间的修正系数Ct：

(1)

5 基于光量子基准的量值溯源体系

目前基于低温辐射计的溯源体系已不能满足量子光学应用领域对单光子至fJ(飞焦)量级极微弱光辐射测量的需求。国际计量主要向溯源量子化、量传扁平化方向发展[15，16]。

针对新型光电倍增管、雪崩二极管、超导单光子探测器量值溯源需求，以及量子通信、量子计算、单光子成像等领域对极弱光辐射计量的迫切需求，探索基于光量子基准的全新光辐射量值溯源体系，将大幅提升光辐射计量水平，减小极弱激光能量(以及极弱光辐射其他测量参数)的测量不确定度。

图6为基于光量子基准的全新光辐射量值溯源体系图。

图6 基于光量子基准的新光辐射量值溯源体系Fig.6 The new optical radiation traceability system based on the quantum basic standards

随着外腔体激光器功率的提高，宣布式纠缠单光子源的可控单光子的产生率可以提高到107以上，根据光子的能量公式计算得到795 nm单个光子能量为2.499×10-19J，纠缠光子辐射源标准装置1 s内产生1～107个光子，能量范围覆盖单光子至pJ量级，平均光子数测量不确定度达到2%，满足f J至单光子量级、pW以下微弱功率能量溯源需求。

6 结 论

基于冷原子团在耦合光和泵浦光作用下产生自发四波混频效应，设计了宣布式纠缠单光子源产生装置，通过背景辐射抑制与实时补偿、高精度激光稳频、时序脉冲精密同步获得窄线宽、高质量的单光子源，并探索建立了基于光量子基准的全新光辐射量值溯源体系，可满足fJ至单光子极弱能量测量及溯源需求。该体系建成后将极大提高探测器量子效率的测量精度，满足量子领域探测器光子探测效率、暗计数、最大/最小计数率等参数计量溯源需求。