應(yīng)用探究 |量子計算DOPA 產(chǎn)生壓縮態(tài)：選ppln還是 PPKTP？

背景

在量子技術(shù)中，壓縮態(tài)（squeezed state）作為一種關(guān)鍵的連續(xù)變量量子態(tài)，已成為突破經(jīng)典物理極限、提升系統(tǒng)性能的重要資源。如在量子精密測量中用于引力波探測，在量子通信中作為連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（CV-QKD）的核心資源，在量子計算中，壓縮態(tài)則是實現(xiàn)高斯玻色采樣（GBS）的關(guān)鍵資源態(tài)。

光學(xué)參量振蕩（OPO）和放大（OPA）常用于產(chǎn)生壓縮態(tài)，這通常是由非線性晶體實現(xiàn)的，如周期極化鈮酸鋰PPLN和周期極化磷酸氧鈦鉀PPKTP。周期極化晶體可以利用更長的相互作用長度和更大非線性系數(shù)。山西大學(xué)張寬收教授課題組分別使用PPLN和PPKTP晶體，通過Type-I的簡并光學(xué)參量放大（DOPA）產(chǎn)生了1550 nm波段的明亮相位壓縮態(tài)。1550nm波長在標(biāo)準(zhǔn)通信光纖中具有最低傳輸損耗的，使得產(chǎn)生的壓縮態(tài)可以與現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。

實驗光路

文章中通過下圖中DOPA結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生壓縮態(tài)，在腔內(nèi)放置了一塊Type-I 型準(zhǔn)相位匹配的周期性極化晶體，并注入泵浦光（2ω775nm）以及信號光（ω 1550nm）。1550nm的光在DOPA 腔內(nèi)共振，而775nm的光則來回通過晶體。

在利用周期極化非線性晶體從DOPA生產(chǎn)壓縮態(tài)的實驗中，研究人員采用的是對1550nm的CW激光器進(jìn)行分光，一路經(jīng)過外部增強PPLN倍頻腔，由SHG產(chǎn)生775nm，作為后續(xù)DOPA的泵浦光。而另一路則作為DOPA的輸入信號光以及檢測系統(tǒng)的本振光。值得一提的是光路中的MC（mode cleaner），使用電光調(diào)制器（EOM）通過PDH穩(wěn)頻技術(shù)鎖定MC1的腔體，從而對激光的空間模式和額外強度噪聲進(jìn)行初步過濾。

PPLN&PPKTP性能對比

PPLN

優(yōu)勢

PPLN晶體具有更大的有效非線性系數(shù)，可以實現(xiàn)更高效的波長轉(zhuǎn)換。本文中實驗測得，PPLN在單通SHG時效率是PPKTP的2.6倍。正因為如此，PPLN作為OPO時具有更低的振蕩閾值，以相對較少的泵浦就能跨越DOPO臨界點，產(chǎn)生振蕩。

劣勢

為了避免光折變效應(yīng)和光學(xué)損傷，PPLN的相位匹配溫度相對更高，本實驗中達(dá)到了135.2℃。高工作溫度使得PPLN內(nèi)產(chǎn)生更強的導(dǎo)波聲波布里淵散射(guided acoustic-waveBrillouin scattering, GAWBS)，帶來額外的相位噪聲，并顯著降低壓縮度。

PPKTP

優(yōu)勢

在產(chǎn)生壓縮態(tài)的過程中，PPKTP zui大的優(yōu)勢在于相位匹配的溫度較低，本實驗中僅需要接近室溫的34.5℃即可維持穩(wěn)定的相位匹配。可以抑制GAWBS相位噪聲，達(dá)到更高的壓縮度。

劣勢

PPKTP的非線性系數(shù)相對較低，當(dāng)需要較高的轉(zhuǎn)換效率時，可以采用更高的泵浦功率或者搭腔來補償。

小結(jié)

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DOPA/DOPO閾值

在山西大學(xué)這篇文章中，關(guān)注的是振蕩閾值下DOPA的情況，而對于壓縮態(tài)的產(chǎn)生而言，振蕩閾值以上，變?yōu)镈OPO的情況也具有相當(dāng)?shù)囊饬x，例如在量子計算中大火的相干伊辛機（CIM）可以基于DOPO網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)人工自旋。當(dāng)位于振蕩閾值以下，處于壓縮真空態(tài)，而閾值以上則會產(chǎn)生對應(yīng)于相位0和π的壓縮相干態(tài)。

在CIM里程碑式的論文《Coherent Ising machines—optical neural networks operating at the quantum limit》中提到，DOPO的閾值決定了CIM工作的三個階段，當(dāng)位于閾值之下，實現(xiàn)了量子并行搜索；當(dāng)位于閾值時，發(fā)生了集體對稱性破缺；而在閾值以上時，系統(tǒng)不僅僅是量子態(tài)的疊加，而是表現(xiàn)出經(jīng)典的振蕩相位，成為量子-經(jīng)典交叉。文中采用 PPLN光纖耦合波導(dǎo)作為 DOPO 的非線性晶體，用于實現(xiàn)參量放大與壓縮過程。

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參考文獻(xiàn)

1.Wan, Zhenju, et al. "Comparison of phase quadrature squeezed states generated from degenerate optical parametric amplifiers using PPKTP and PPLN." Optics express26.5 (2018): 5531-5540.

2.Jin, Jing-Yi-Ran, Shuang-Quan Ma, and Qing Ai. "Quantum Phasetransitions in Coherent Ising Machines: XY Model for Demonstration." arXiv preprint arXiv:2512.23248 (2025).

3.Yamamoto, Yoshihisa, et al. "Coherent Ising machines—optical neural networks operating at the quantum limit." npj Quantum Information3.1 (2017): 49.


審核編輯 黃宇