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(shuō)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(jì)算機(jī)，量子技術(shù)同樣令人興奮，影響也將越來(lái)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(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

*本文來(lái)源于英國(guó)Covesion公司的白皮書(shū)《Non-linear Optical Crystals Used for Quantum Technology》。

https://covesion.com/knowLEDge-hub/white-paper-non-linear-optical-crystals-used-for-quantum-technology/

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

傳感與計(jì)時(shí)：利用量子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響敏感的特性，可以進(jìn)一步測(cè)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(cè)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(méi)有被截取。

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

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(duì)各類(lèi)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(wú)論是產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，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(dòng)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?yàn)樵摬牧贤瑯釉谄渌斜粡V泛應(yīng)用，價(jià)格也相對(duì)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(guò)周期性極化來(lái)提高頻率轉(zhuǎn)換效率，被稱(chēng)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(duì)于可調(diào)節(jié)波長(zhǎng)而言，MgO:PPLN 晶體的透光范圍為 400-5000nm，在不同的周期設(shè)計(jì)以及溫度調(diào)節(jié)下，可以靈活實(shí)現(xiàn)CW和脈沖源不同波長(zhǎng)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(duì)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(chǔ)量子信息，而高度激發(fā)的里德堡原子之間的長(zhǎng)程相互作用對(duì)于量子計(jì)算中許多量子信息協(xié)議的成功運(yùn)行至關(guān)重要。

原子干涉檢測(cè)提供高精度和可擴(kuò)展技術(shù)能夠更敏感地檢測(cè)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(shí)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(cè)量中，從1560nm源生成780nm（SHG）用于銣原子的磁光捕獲（MOT），如重力測(cè)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(zhǎng)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(jì)地生成支持銣原子捕獲所需的功率和窄線寬的780nm激光。

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(gè)參與者能夠生成一個(gè)只有他們自己知道的共享隨機(jī)密鑰，然后可以用來(lái)加密和解密消息。雙向轉(zhuǎn)換422nm <-> 1550nm（SFG/DFG）促進(jìn)了QKD。這一應(yīng)用需要在短波長(zhǎng)（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(jì)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(gè)關(guān)鍵組件[3]。

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(duì)于激光功率非常高（例如 532nm處>3W CW）或所需波長(zhǎng)超出光學(xué)范圍時(shí)，可以使用KTP、BBO和LBO晶體。

基于 PPLN 的 NLO 晶體的可用波長(zhǎng)范圍

英國(guó)Covesion有限公司是一家擁有超過(guò)20年經(jīng)驗(yàn)的公司，專(zhuān)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(kāi)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)為獨(dú)特的PPLN晶體設(shè)計(jì)和制造提供廣泛的技術(shù)支持，包括整個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掩膜設(shè)計(jì)、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換需求。

參考文獻(xiàn)

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.

審核編輯 黃宇