光通信波段量子干涉仪的频域特性研究

The spectral correlations demonstrated in the frequency-domain by a quantum interferometer can not be measured in the traditional time-domain measurement. To solve this problem, we choose NOON-type photonic interferometer as the main object to study the spectral properties of quantum interferometers in this project. Firstly, we theoretically establish the spectral model of a NOON-type photonic interferometer. Secondly, we experimentally prepare biphotons from a spontaneous parametric downconversion process; construct the setup for a NOON-type interferometer; measure the joint spectral distribution of biphotons at different delay time, so as to characterize the spectral correlation properties of the interferometer. Thirdly, we expand this method to the study of Franson-type photonic interferometer, and compare it with the HOM-type photonic interferometer, in order to summarize the general rule of quantum interferometer in frequency domain. Finally, we plan to prepare high-dimensional spectrally entangled state, based on the technique of spectrally resolved NOON-type interference. The implementation of this project not only can reveal the general law of the quantum interferometer in the frequency domain, enrich and perfect the existing quantum interference theory, but also can prepare the high-dimensional spectrally entangled state, so as to make contribution to the development of quantum information technology in frequency domain and in high dimensions.

量子干涉仪在频域所展示出的频谱关联特性无法在传统的时域测量中体现出来。为此，本项目拟在光通信波段选择NOON型光子干涉仪作为主要研究对象来研究量子干涉仪的频域特性。首先，在理论上建立起NOON型光子干涉仪的频域模型。其次，在实验上使用参量下转换过程制备双光子态、搭建NOON型光子干涉仪光路、测量在不同延迟时间上双光子的联合频谱分布，从而在实验上刻画其频谱关联特性。然后，把此频域测量方法推广到Franson型光子干涉仪的研究中，并与HOM型干涉仪进行对比，总结出量子干涉仪在频域存在的普遍规律。最后，在这种频域可分辨的NOON型光子干涉仪技术基础上，制备频域的高维量子纠缠态。该项目的实施不仅能够揭示出量子干涉仪在频域的一般性规律，丰富和完善现有的量子干涉理论，而且能在此基础上制备频域高维量子纠缠态，为量子信息技术在频域及高维度方面的发展做出贡献。

量子干涉仪（包括NOON型干涉仪、HOM型干涉仪和Franson型干涉仪等）是实现量子精密测量、量子计算和量子通信的关键基础器件。全面而深刻地掌握量子干涉仪的时间-频率特性有望进一步提高量子测量、量子计算和量子通信的性能，因而具有重要的研究意义。传统的量子干涉实验大都是在时域上进行测量的，无法揭示其在频域上蕴含的丰富信息。围绕这一问题，本项目对量子干涉仪的频率特性及其应用进行了全面的研究，从理论计算、数值模拟和实验验证三个方面完成了预定的研究任务。主要研究内容包括：（1）在理论上建立了NOON型干涉仪的频域模型，使用数学软件对NOON型干涉仪的频域干涉条纹进行了模拟，在实验上搭建双光子实验平台，测试了NOON型干涉仪的时域分布和频域分布。在此基础上，把NOON型干涉仪与HOM型干涉仪进行了对比，对干涉条纹做傅立叶变换，获得了光源的频谱特性。更进一步，对量子光源的频域分布进行了调控，并通过HOM型干涉和联合频谱分布的测量来确认调控效果。另外，研究了双光子频域分布与时域分布之间的时频对偶特性，通过联合频率分布和联合时间分布的实验测量，对理论模型进行了验证。（2）类比NOON型干涉仪的研究方法，在理论上推导了Franson型干涉仪在频域的分布函数并进行了数值模拟；对实验装置进行了改装，测量了Franson型干涉仪的时域分布和频域分布。（3）对NOON型干涉仪实验装置进行再改装，在实验上制备了频域的高维量子纠缠态。另外，在理论上研究了如何利用KDP、BBO、PPKTP和PPLN家族晶体在光通信波段制备频域不关联的双光子态，进而制备纯态单光子源，纯度高达0.98。通过本项目的实施，量子干涉仪在频域的一般性规律（包括频域分布与量子干涉之间的量子维纳-辛钦定理、时域分布和频域分布之间的时频对偶性）被揭示出来，丰富和完善了现有的量子干涉理论；项目组开发了调控量子态时间-频率分布的方法，制备了频域高维量子纠缠态，为量子信息技术在频域及高维度方面的发展做出了贡献。