解析ppln晶體在量子技術快速商業(yè)化的關鍵作用（一）：應用技術

量子技術，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。而在前端的科研領域，如量子通信和量子計算機，量子技術同樣令人興奮，影響也將越來越顯著，而非線性光學晶體（NLO）將在該技術的商業(yè)化過程中發(fā)揮關鍵作用。

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

量子技術主要這三個領域內多種應用中發(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)絡允許在遠距離用戶之間分發(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)和復雜計算的情況下。

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

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鏈，因為該材料同樣在其他元件中被廣泛應用，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)，因此具有很高的轉換效率。對于可調節(jié)波長而言，MgO:PPLN 晶體的透光范圍為 400-5000nm，在不同的周期設計以及溫度調節(jié)下，可以靈活實現(xiàn)CW和脈沖源不同波長之間的轉換。

NLO 晶體在量子應用中的應用示例

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。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)議的成功運行至關重要。

原子干涉檢測提供高精度和可擴展技術能夠更敏感地檢測諸如更小的尺寸和更大深度等特征。許多原子光學應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]

在這些應用中，現(xiàn)成商用（COTS）激光器在1560nm波長上可以高轉換效率倍頻到780nm，在波導解決方案中已經(jīng)展示了高達70%的的轉換效率[2]。將商用泵浦激光器組件與倍頻晶體相結合，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。

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。雙向轉換422nm <-> 1550nm（SFG/DFG）促進了QKD。這一應用需要在短波長（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）之間達到高轉換效率。使用特別設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之間的上轉換和下轉換。這為構建大規(guī)模量子網(wǎng)絡提供了一個關鍵組件[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 范圍內應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非線性頻率轉換的MgO:PPLN（鎂摻雜周期極化鈮酸鋰）晶體和波導的研究、開發(fā)和制造。他們提供廣泛的產品，包括PPLN塊體晶體、PPLN波導以及PPLN配件。此外，他們還提供定制PPLN服務，利用其極化技術為PPLN晶體設計和制造提供廣泛的技術支持，包括整個周期結構設計、掩膜設計、晶體極化、切塊、拋光和鍍膜增透，以滿足特定波長轉換需求。

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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