生成高速率的纠缠光子对的能力是量子密钥分发（QKD）和量子信息处理（QIP）系统的关键要求。QKD为安全社会提供了前景，包括保护关键信息、基础设施以及有价值的数据，例如guo家的电网、水务等系统。而QIP则为容错通用量子计算铺平了道路，有效减少量子比特的错误率，从而实现更快的药物发现和复杂系统的优化，提供了强大的计算支持。

为了达成这个目的，由英国创新署（Innovate UK）资助的“高速率纠缠光子”项目（High Rate of Entang LED Photons，HiREP）应运而生。该项目由英国Covesion Ltd主导并与弗劳恩霍夫应用光子学中心合作，利用非线性光学波导技术研发出一种高速率、偏振纠缠的光子对源。昊量光电作为Covesion产品的官方代理，致力于为客户提供高质量的PPLN产品和专业的技术支持。

项目主要目标：

• 开发周期性极化铌酸锂PPLN波导，用于高效产生光子对。

• 通过将高功率泵浦源与高转换效率的波导相结合，设计一种能够高速产生纠缠光子的光学系统。

• 演示通信波长（1560nm）偏振纠缠光子的高生成率（>1GHz，符合欧洲航天局规定的市场要求）。

• 为波导晶体和集成纠缠光子源提供进入市场的途径。

 

集成（基于波导的）自发参量下转换（SPDC）为高效生成纠缠光子对提供了一种途径，因为所有下转换光都被限制在定义明确的单个横向模式中，从而提高了收集效率。此外，集成化为生成zui终具有更高ji别功能的鲁棒性解决方案提供了一种途径，包括泵浦激光器和分束器。高纠缠光子率对于实现高安全密钥率（例如，经过空间传输损耗后）或提高量子信息处理能力至关重要。由Covesion开发的PPLN波导可以实现高效二次谐波发生（SHG）和自发参量下转换（SPDC）。波导经过优化，在1560nm的基础波长上以单模运行，其MFD与标准（PM1550）光纤跳线非常匹配，从而实现了光纤集成的高耦合效率，利用这些波导展示了高速率纠缠光子。

通过PPLN波导设计并制造了一个光学平台演示系统，共分为以下三个阶段

第1阶段 SPDC泵浦：基于放大的通信波段（1560nm）激光器SHG产生780nm光源。高效SHG由Covesion PPLN波导提供。

第2阶段 光子对生成：PPLN波导通过SPDC在1560nm波长处产生光子对。将SPDC波导置于Sagnac干涉仪中可实现偏振纠缠。

第3阶段 光子对检测：信号光子和闲频光子被分为两路，利用偏振光学器件进行单独分析，并通过超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行时间相关单光子计数（tcspc）测量。

纠缠光子演示装置

对CHSH参数（Clauser-Horne-Shimony Holt）的测量（2 2就可证明量子纠缠存在。在低增益条件下测量光子对的生成速率，结果表明，在平均光子数为0.1时，zui大光子对生成速率可达1.48GHz，较低的平均光子数则表明该系统更接近纯量子态。这些关于演示源性能的测量结果可以转化为量子密钥分发（QKD）参数。对于采用预报单光子的BB84协议，根据此源，其zui大密钥率计算为0.633 Gbps，偏振分辨保真度为98%。

偏振纠缠的测量

光子对生成率

纠缠光子演示装置的性能

工作在1560/780 nm的SHG/SPDC波导已作为商业产品发布。Covesion提供带有PM1550或PM850光纤输入和输出的波导光纤耦合封装，例如WGCO-1550-40，应用于这些波长转换。同时为了使纠缠源适合制造并作为商业产品发布，下一步工作计划包括缩小源的尺寸、集成泵浦激光源、采用全光纤化结构（包括Covesion光纤耦合波导模块）以及整体降低尺寸、重量和功耗（SWaP-c）。

Covesion光纤耦合波导模块

HiREP项目成功演示了一种偏振纠缠光子源，凭借Covesion的PPLN波导优异性能，其生成速率超过1 GHz。这为实现适合量子密钥分发（QKD）和量子网络市场需求的光子源的实用化铺平了道路。

英国Covesion有限公司是一家拥有超过20年经验的公司，专注于高效非线性频率转换的MgO:PPLN（氧化镁掺杂周期极化铌酸锂）晶体和波导的研究、开发和制造。他们提供广泛的产品，包括PPLN块体晶体、PPLN波导以及PPLN配件。此外，他们还提供定制PPLN服务，利用其极化技术为独特的PPLN晶体设计和制造提供广泛的技术支持，包括整个周期结构设计、掩膜设计、晶体极化、切块、抛光和镀膜增透，以满足特定波长转换需求。

上海昊量光电设备有限公司作为英国Covesion在中国地区的独代,负责其所有产品在国内的销售、服务，以及售后技术支持等等,如有任何问题,欢迎随时联系我们!

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参考文献：

1. Lewis G. Carpenter, Sam A. Berry, Rex H. S. Bannerman, Alan C. Gray, and Corin B. E. Gawith, “ZnO indiffused MgO:PPLN ridge waveguides,” Opt. Express 27, 24538-24544 (2019)

2. B. Ndagano et al., “A Gigahertz-Rate Source of Polarization-Entangled Photons Using Type-0 PPLN Waveguides,” 2024 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), Charlotte, NC, USA, 2024, pp. 1-2.

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