構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)取決于連接不同的量子系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)通常在不同的光波長下運(yùn)行。例如，金剛石中的氮空穴是量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的絕佳候選者，它能在 637nm波長處發(fā)射單光子。

然而，通過標(biāo)準(zhǔn)光纖遠(yuǎn)距離有效傳輸這些光子是個(gè)問題，因?yàn)?637nm的光損耗很大。因此，轉(zhuǎn)換為低損耗的電信波段至關(guān)重要。

量子頻率轉(zhuǎn)換（QFC）提供了解決方案，它可以在保持量子光的關(guān)鍵量子特性（如糾纏或擠壓）的同時(shí)，相干地轉(zhuǎn)換量子光的波長。盡管取得了進(jìn)展，但要在不引入大量噪聲的情況下實(shí)現(xiàn)高效的量子頻率轉(zhuǎn)換仍是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

即使是少量的噪聲也會(huì)降低或破壞脆弱的量子態(tài)，嚴(yán)重限制量子通信和網(wǎng)絡(luò)能力。

Mann等人利用公司提供的晶體展示了一個(gè)很有前途的新平臺(tái)，該平臺(tái)采用了單片塊狀 ppKTP 腔體。單片 "腔體意味著構(gòu)成光學(xué)諧振器的反射鏡直接鍍在晶體的端面上，形成一個(gè)單一的集成器件。

這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)大大提高了在其內(nèi)部循環(huán)的適度、現(xiàn)成的1064nm 泵浦激光器的有效功率。增強(qiáng)后的泵浦功率可以有效地驅(qū)動(dòng)差頻產(chǎn)生（DFG）過程，將637nm光子轉(zhuǎn)換到電信 C 波段（在他們的工作中約為1587nm），同時(shí)顯著降低不必要的噪聲光子的產(chǎn)生（圖 1）。

圖 1：用于量子頻率轉(zhuǎn)換的 PPKTP 單片腔示意圖。波長為 1064 nm 的泵浦和波長為 637 nm 的輸入光子進(jìn)入腔體，鍍在晶體面上的反射鏡增強(qiáng)了泵浦功率，驅(qū)動(dòng)差頻發(fā)生器產(chǎn)生波長為 1587 nm 的電信波長光子，并將噪聲降至最低。M-反射鏡，DM-二向色鏡。

單片諧振腔的技術(shù)優(yōu)勢解析

塊狀晶體中的高效 QFC 通常需要很高的泵浦功率，這往往需要昂貴而復(fù)雜的激光系統(tǒng)。諧振腔提供了一種巧妙的變通方法，它能在晶體內(nèi)部以較小的輸入功率建立強(qiáng)光場。單片設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用。此外，這些腔體還能表現(xiàn)出被動(dòng)的熱自諧，這意味著它們可以自然地保持共振，而不需要主動(dòng)的電子反饋回路。

這種簡化大大提高了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署的可靠性和實(shí)用性。Mann等人還假設(shè)，使用塊狀 ppKTP 有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：塊狀KTP可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的周期性極化，這可能會(huì)從本質(zhì)上抑制寄生非線性過程，特別是源于強(qiáng)泵的不需要的自發(fā)參量下變頻 (SPDC)--這是其他 QFC 方法的主要噪聲源。

噪聲新低記錄與量子態(tài)保真技術(shù)突破

未來之路

Mann等人的實(shí)驗(yàn)僅使用3W輸入泵浦激光器就實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 72% 的內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率，令人印象深刻。更重要的是，產(chǎn)生的噪聲非常低，測量值約為 110 kHz/nm--這一數(shù)字量化了目標(biāo)波長下每納米帶寬產(chǎn)生的不需要的噪聲光子的比率。與之前在這些波長上運(yùn)行的最先進(jìn)的單步轉(zhuǎn)換器相比，這一結(jié)果將噪聲降低了 5 倍，大大提高了現(xiàn)實(shí)量子通信鏈路的可行性。

在轉(zhuǎn)換過程中保持光的量子特性至關(guān)重要。研究小組通過轉(zhuǎn)換來自糾纏對源（SPDC）的單光子嚴(yán)格驗(yàn)證了這一點(diǎn)。對二階相關(guān)函數(shù)的測量證實(shí)了非經(jīng)典相關(guān)性的保留，顯示出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出經(jīng)典極限的行為。他們還進(jìn)行了弗朗森干涉測量和鏈?zhǔn)截悹柌坏仁綔y試，令人信服地證明了時(shí)間能量糾纏在轉(zhuǎn)換過程中得到了高保真的保留。

這項(xiàng)工作凸顯了單片塊狀ppKTP空腔作為量子網(wǎng)絡(luò)波長轉(zhuǎn)換的穩(wěn)健、高效和顯著低噪聲平臺(tái)的巨大潛力。我們提供這項(xiàng)工作所必需的高質(zhì)量非線性晶體，包括ppKTP、apKTP和帶有寬帶鏡面涂層的單片PPKTP。