【文章介绍】空间模式复用的宣布式单光子源

          本文展示了一个基于空间模式(轨道角动量)复用的宣布式单光子源。在理论上,我们基于自发参量下转换过程,通过推导发现,双光子的概率(符合事件)可以显著的增加当我们考虑更多的非高斯成分。其增强的效果跟高阶模式的成分和系统的损耗有关。对于任意的一个态,都存在一个损耗阈值以超过单独的高斯模式的情况,我们在图1中A点标注了一个三维最大纠缠态的情况。类似于频率维度的复用(Phys. Rev. Lett. 119, 083601),我们提出了一个主动调制的理论方案,见图二。


图一:增益和损耗的关系. 这里展示了一个三维最大纠缠态对应的损耗,可以发现当系统的单路损耗超过0.58(A点)后,可以实现强于高斯模式的增强。

  图二:理论的复用方案,自发参量产生S/i光子对,S光子的模式在i信号的触发下由|L>变为|0>。 从而抹杀掉空间的可区分性。


   实验上,由于目前商用的SLM速度的限制,这个方案目前很难实行。基于我们已有的空间操控技术(Communications Physics, 2019, 2(1): 75;Phys. Rev. A 98, (6), 062316.),本论文中,我们采用被动的方式进行原理性的展示。 这里采用了光栅进行模式的区分,光栅区分的优点是器件少,缺点是存在1/N的线性损耗(关于模式区分,我们做了一个表格PRA 100, 013833 (2019)主要的实验结果展示图三中,更详细的结果展示在我们的文章中。我们可以发现复用的效果相比于传统的高斯模式有较大的相对提高。


图三:复用前后的的双光子复合计数。


MethodsOAM modeEfficiency   AdvantagesRef.
Interferometerodd and even100% in priciplehigh-sorting visibilityPhys. Rev. Lett. 88, 257901 (2002).
Forked blazingarbitrary1/Nfewer optical elements

Adv. Opt. Photon. 3, 161(2011).

Coordinate-transarbitrary100% in priciplehigh-sorting visibility

Phys. Rev. Lett. 105, 153601(2010).

表一:主流的模式区分方案。

文章被PRA接收并在线发表。   


Abstract.

A heralded single-photon source (HSPS) with competitive single photon purity and indistinguishability hasbecome an essential resource for photonic quantum information processing. Here we propose a theoreticalregime to enhance heralded single photon generation by multiplexing the degree of freedom of orbital angularmomentum (OAM) of down-converted entangled photon pairs emitted from a nonlinear crystal. Experimentally,a proof-of-principle experiment is performed through multiplexing three OAM modes. We achieve a 47%enhancement in the single-photon rate. A second-order autocorrelation function g(2)(0) < 0.5 ensures our multiplexed heralded single photons with good single-photon purity. We further indicate that an OAM-multiplexedHSPS with high quality can be constructed by generating higher-dimensional entangled states and sorting themwith high efficiency in OAM space. Our method may approach a good HSPS with the deterministic property.

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丁冬生,男19872月出生。2010年7月于安徽师范

大学获学士学位。2010年9月-2015年7月年在中国科学技术大学硕博连读进行研究工作,主要从事基于原子系统的宽带高维量子信息的实验研究以及里德堡原子方面的工作。第一作者或通信作者在国际顶尖期刊上发表数篇文章,包括Nature photonics(1篇)

Nature communications(2篇),

Physical Review Letters (3篇),

Light Science and Applications(1篇), Optica (1篇,OSA 旗舰杂志);以及在 Physical Review AOptics ExpressOptics LettersApplied Physics Letters 等著名杂志上发表第一作者文章18篇。

工作经历:

2014年9月-2015年7月,在中国科学技术大学聘为助理研究员。

2015年8月-2018年3月,在中国科学技术大学聘为副研究员。

2018年4月-至今。在中国科学技术大学聘为特任教授。

曾获:

王大珩高校学生光学奖(2013 年);

中科院院长特别奖(2015年);

中科院优秀博士学位论文奖(2016年);

联系方式

dds@ustc.edu.cn