封面展示了基于非線性晶體的自發(fā)參量下轉化過程產(chǎn)生糾纏光子的示意圖。本文使用周期極化磷酸氧鈦鉀（PPKTP）晶體光路實現(xiàn)了高效率的位置-動量（EPR）糾纏光子制備，并利用鬼成像和鬼干涉技術驗證了糾纏特性，實驗設計相對簡單，可以為量子信息處理、量子成像等過程提供幫助。

1、研究背景

量子糾纏態(tài)在量子科學領域，已應用于量子密鑰分發(fā)、量子計算、量子中繼等領域。位置-動量糾纏（即EPR糾纏）描述一對在位置上相關，同時在動量上反相關的粒子，設xa、xb分別為粒子a和b的位置，pa、pb分別為粒子a和b的動量，?為約化普朗克常量，若其不確定度滿足：

則兩個粒子符合EPR糾纏。EPR糾纏在量子成像、量子測量和量子通信等領域具有重要意義。因此制備EPR糾纏態(tài)并表征其糾纏度就尤為重要。

傳統(tǒng)的位置-動量糾纏制備技術主要基于非線性晶體和原子系統(tǒng)。與非線性晶體方案相比，原子系統(tǒng)的裝置更加復雜，調節(jié)難度大。而利用偏硼酸鋇（BBO）晶體產(chǎn)生的糾纏光子的效率較低，需要的采樣時間長。因此，一種高效制備位置-動量糾纏并表征其糾纏度的方案就尤為重要。

2、創(chuàng)新研究

圖1 EPR糾纏制備與表征實驗的結構示意圖

國防科技大學電子對抗學院胡以華教授科研團隊基于PPKTP晶體的自發(fā)參量下轉換效應，成功制備了EPR糾纏源，其系統(tǒng)原理如圖1所示。該方案的核心在于利用非線性晶體生成偏振方向互相垂直的糾纏光子對，整體光路主要由兩個4f（f為焦距）成像系統(tǒng)構成。泵浦光源由405 nm連續(xù)光激光器、偏振分光棱鏡和一組透鏡提供。本方案采用Ⅱ型非線性晶體，因此用偏振分光棱鏡將透射光束調整為水平偏振，再利用一組透鏡對激光進行縮束處理以增大功率密度，從而增加糾纏光子的產(chǎn)生速率。這組透鏡同時構成了4f成像系統(tǒng)，PPKTP晶體被放置在成像光路的傅里葉平面處。透鏡3和透鏡4同時構成了第二個4f成像系統(tǒng)，晶體放置的位置是透鏡3的物平面。糾纏雙光子被偏振分光棱鏡分成兩路，水平方向的偏振光為信號光子，豎直方向的偏振光為閑散光子。

將信號和閑散光子分別引導至單光子探測器進行檢測，對探測到的信號進行符合計數(shù)分析。在信號光子路徑中加入成像物體，使用細鐵絲作為成像物，使其能被信號光子覆蓋。成像物緊貼光纖耦合頭1，放置在光束，位于透鏡4的焦平面上。在閑散光子的路徑中，使用半波片和偏振分光棱鏡將光線分為兩路。通過旋轉半波片調整兩路閑散光的功率，選擇進行成像測量或干涉測量。成像路徑的閑散光子經(jīng)過狹縫之后進入光纖耦合頭2。狹縫和光纖耦合頭2都裝在平移臺上，對平移臺進行橫向位置掃描，多模光纖收集到的閑散光子信號用單光子探測器接收，與信號光子進行符合測量，每個位置點的時間積累是10 s，用于鬼成像，如圖2（a）所示。另一路閑散路徑光子被放置在棱鏡4焦平面上的短焦距透鏡聚焦，用于收集光子，短焦距透鏡被放置在透鏡4的焦平面上，并對光纖耦合頭進行橫向位置掃描，掃描步進為2.5 μm，與信號光進行符合測量，用于鬼干涉，如圖2（b）所示。

圖2 EPR糾纏圖案。（a）鬼成像；（b）鬼干涉（黑色點為實驗測量數(shù)據(jù)，每個點的采樣時間為10 s，紅色曲線為理論擬合曲線）

通過這種設置，可以同時對空間相關性和量子干涉進行探索和測量。由于信號和閑散光子之間的糾纏特性，允許在一個通道上獲取信息，而在另一個通道上進行成像或干涉實驗，這是量子成像技術的核心概念之一。鬼成像與鬼干涉是量子力學中糾纏特性的直接應用，允許在不直接觀測對象的情況下對其進行研究，從而揭露出量子力學的非局部性質。

鬼成像和鬼干涉可以通過經(jīng)典相關光子實現(xiàn)，但不能同時觀察到。光子對的位置和動量同時存在量子相關性，因此可以觀察到鬼成像和鬼干涉，如圖2所示。在信號光子路徑中，透鏡4的焦平面上插入的鐵絲起到了雙縫的作用。閑散光子通過具有空間分辨率的探測器進行掃描測量。掃描單個探測器的計數(shù)率不顯示任何圖像或干涉，但是兩個單光子探測器之間的符合計數(shù)率中出現(xiàn)鬼成像或鬼干涉。通過鬼成像與鬼干涉，得到動量不確定度為：Δp =（1.453±0.381）?/mm，位置不確定度：Δx=（0.045±0.0067）mm，由此得出(Δp)2(Δx)2=（0.00443±0.00021）?2，驗證了經(jīng)過PPKTP晶體自發(fā)參量下轉換效應產(chǎn)生的雙光子，滿足EPR糾纏不等式，即存在位置-動量糾纏。表1給出不同方案中EPR糾纏不確定度的比較。

表1 不同方案中EPR糾纏的不確定度

3、總結與展望

該研究成功地基于PPKTP晶體自發(fā)參量下轉換效應制備了位置-動量糾纏的雙光子量子態(tài)，并通過鬼成像與鬼干涉技術對該糾纏態(tài)進行了精確的表征。通過對實驗數(shù)據(jù)進行理論擬合，驗證了所制備的EPR糾纏光子對滿足糾纏不等式的要求，證明了其糾纏性。此項技術在保證原理可靠性的同時，具備了能在常溫環(huán)境下高效制備與表征糾纏的優(yōu)點，而且只需要單一泵浦光源，極大簡化了實驗裝置的復雜度。研究表明，該EPR糾纏源在量子成像、基于連續(xù)變量糾纏的量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)，以及量子探測等眾多前沿領域具有廣泛的應用前景。這一高效制備糾纏態(tài)的方法為這些領域的應用研究開辟了新的道路。未來，我們預計通過對泵浦光源的高斯特性進一步的調制和優(yōu)化，實現(xiàn)糾纏質量的顯著提升，從而推動量子技術至更高水平的發(fā)展。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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