解析PPLN晶體在量子技術(shù)快速商業(yè)化的關(guān)鍵作用（一）：應(yīng)用技術(shù)

解析ppln晶體在量子技術(shù)快速商業(yè)化的關(guān)鍵作用（一）：應(yīng)用技術(shù)

量子技術(shù)，曾經(jīng)似乎是僅存在于科幻小說中的天方夜譚，但如今逐漸深入到我們的日常中改善我們的生活。而在前端的科研領(lǐng)域，如量子通信和量子計算機，量子技術(shù)同樣令人興奮，影響也將越來越顯著，而非線性光學(xué)晶體（NLO）將在該技術(shù)的商業(yè)化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

*本文來源于英國Covesion公司《Non-linear Optical Crystals Used for Quantum Technology》。

量子技術(shù)主要這三個領(lǐng)域內(nèi)多種應(yīng)用中發(fā)揮作用：

傳感與計時：利用量子系統(tǒng)對環(huán)境影響敏感的特性，可以進一步測量物理特性。

通信：試圖觀察量子通信通道將導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)不可逆地改變，這種改變是可被交換信息的各方檢測到的。量子網(wǎng)絡(luò)允許在遠(yuǎn)距離用戶之間分發(fā)糾纏光子作為‘密鑰’，從而確保數(shù)據(jù)沒有被截取。

計算機處理：利用疊加和糾纏原理，理論上可以顯著提高經(jīng)典計算器處理某些問題的速度。量子計算有望改變目前的計算方式，尤其是針對大數(shù)據(jù)和復(fù)雜計算的情況下。

圖1：量子計算原型機“九章三號”實驗裝置示意圖（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）來源新華社

早期的產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化，如今正是量子技術(shù)蓬勃發(fā)展之際，對各類設(shè)備的供應(yīng)商的要求也水漲船高，而光子學(xué)將是供應(yīng)鏈的核心，無論是產(chǎn)生糾纏光子對，冷原子還是產(chǎn)生穩(wěn)定的量子態(tài)，而 NLO 晶體和元件都將是關(guān)鍵的推動因素。

而在 NLO 晶體中，摻雜氧化鎂的鈮酸鋰（MgO:LN）擁有完善的晶體供應(yīng)鏈，因為該材料同樣在其他元件中被廣泛應(yīng)用，價格也相對低廉。氧化鎂的摻雜也讓晶體的抗光損傷能力提高顯著，并且可通過周期性極化來提高頻率轉(zhuǎn)換效率，被稱為 PPLN 晶體。在商用非線性晶體材料中，PPLN 具有高非線性系數(shù)，因此具有很高的轉(zhuǎn)換效率。對于可調(diào)節(jié)波長而言，MgO:PPLN 晶體的透光范圍為 400-5000nm，在不同的周期設(shè)計以及溫度調(diào)節(jié)下，可以靈活實現(xiàn)CW和脈沖源不同波長之間的轉(zhuǎn)換。

NLO 晶體在量子應(yīng)用中的應(yīng)用示例

原子冷卻和捕獲：激光冷卻和捕獲是將原子降低到接近絕對零度，并在阱中限制和支撐這些原子的技術(shù)。處于基態(tài)的原子可以存儲量子信息，而高度激發(fā)的里德堡原子之間的長程相互作用對于量子計算中許多量子信息協(xié)議的成功運行至關(guān)重要。

原子干涉檢測提供高精度和可擴展技術(shù)能夠更敏感地檢測諸如更小的尺寸和更大深度等特征。許多原子光學(xué)應(yīng)用傾向于使用高激光功率，同時保持窄線寬和高空間光束質(zhì)量。例如，在利用冷原子干涉測量中，從1560nm源生成780nm（SHG）用于銣原子的磁光捕獲（MOT），如重力測量和原子鐘。[1]

在這些應(yīng)用中，現(xiàn)成商用（COTS）激光器在1560nm波長上可以高轉(zhuǎn)換效率倍頻到780nm，在波導(dǎo)解決方案中已經(jīng)展示了高達(dá)70%的的轉(zhuǎn)換效率[2]。將商用泵浦激光器組件與倍頻晶體相結(jié)合，可以經(jīng)濟地生成支持銣原子捕獲所需的功率和窄線寬的780nm激光。

圖2：六個方向的激光用來冷卻原子（圖片來源：newelectronics）

量子密鑰分發(fā)（QKD）:量子密鑰用于數(shù)據(jù)的安全傳輸。它使兩個參與者能夠生成一個只有他們自己知道的共享隨機密鑰，然后可以用來加密和解密消息。雙向轉(zhuǎn)換422nm <-> 1550nm（SFG/DFG）促進了QKD。這一應(yīng)用需要在短波長（用于捕獲離子量子比特的原子躍遷）和通信C波段（光纖傳輸?shù)蛽p耗）之間達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率。使用特別設(shè)計的周期性極化鈮酸鋰（PPLN）晶體已經(jīng)證明了在單光子水平上422nm（鍶離子發(fā)射）和1550nm之間的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換。這為構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)提供了一個關(guān)鍵組件[3]。

圖 3：點對點QKD鏈接架構(gòu)(來源electronicsforu)

基于非線性晶體的激光系統(tǒng)已用于許多量子應(yīng)用。 MgO:PPLN 晶體在商用 NLO 晶體中具有max有效非線性系數(shù)，是 380nm 至 5μm 范圍內(nèi)應(yīng)用首先考慮的晶體之一，但對于激光功率非常高（例如 532nm處>3W CW）或所需波長超出光學(xué)范圍時，可以使用KTP、BBO和LBO晶體。

圖4.基于 PPLN 的 NLO 晶體的可用波長范圍

英國Covesion有限公司是一家擁有超過20年經(jīng)驗的公司，專注于highly efficient非線性頻率轉(zhuǎn)換的MgO:PPLN（鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導(dǎo)的研究、開發(fā)和制造。他們提供廣泛的產(chǎn)品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導(dǎo)以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務(wù)，利用其極化技術(shù)為PPLN晶體設(shè)計和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個周期結(jié)構(gòu)設(shè)計、掩膜設(shè)計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉(zhuǎn)換需求。

參考文獻

1. Diviya Devani, et al., “Gravity sensing: cold atom trap onboard a 6U CubeSat,” CEAS Space Journal, vol. 12, p. 539–549, 2020.

2. Sam A. Berry, et al, “Zn-indiffused diced ridge waveguides in MgO:PPLN generating 1 watt 780 nm SHG at 70% efficiency,” OSA Continuum, vol. 2, no. 12, pp. 3456-3464, 2019.

Thomas A. Wright, et al, “Two-Way Photonic Interface for Linking the Sr+ transition at 422 nm to the Telecommunication,” Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.

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