《低功耗量子纠缠光子对源系统模型研究》学术报告
该研究由Feng Tianxuan（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院）、Zhang Hanyi（同单位）、Fan Rong（同单位）、Ma Honghao（北航工程训练中心）、Dong Mengcheng（北京航天自动控制研究所）及Li Lijing（北航仪器科学与光电工程学院，通讯作者）组成的团队完成，成果发表于2024年10月的《Journal of Systems Engineering and Electronics》（卷35第5期，pp.1287-1294，DOI: 10.23919/JSEE.2024.000104）。
学术背景
量子纠缠作为量子力学的核心特性，在量子通信、计算和成像等领域具有重要应用价值。当前基于自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down Conversion, SPDC）的纠缠光源制备技术存在功耗高（通常>100 mW）、成本昂贵的问题，严重制约其集成化和规模化应用。该研究针对这一技术瓶颈，提出基于5 mW激光二极管和II型偏硼酸钡（BBO）晶体的低功耗系统模型，旨在实现兼具高纯度与低成本特性的纠缠光源制备。
研究流程与方法
研究包含三大模块的系统化构建与验证：
泵浦光模块
采用Thorlabs DL5146-101S激光二极管（功率5 mW，发散角8°×19°），通过非球面镜、孔径光阑、平凸透镜等元件构建光束整形光路。创新性地提出理想柱面透镜模拟算法：通过公式(3)-(6)计算柱面镜参数（如位置t1、t2和y方向光焦度ypower），精确调控光束的偏振纯度（水平偏振度>95%）与聚焦特性（最佳会聚点光斑直径 μm）。通过Zemax光学仿真验证，在212.2 mm处获得能量集中度达12.8 W/m²的会聚光斑。
纠缠光子对生成模块
核心采用3 mm厚、切割角42°的II型BBO晶体。通过Sellmeier方程(7)-(8)和相位匹配条件(9)-(13)，建立切割角-波长-分离角的定量关系模型。研究发现：当信号光波长设置为810 nm时，晶体切割角在40°-50°范围内可实现5°-8°的光子对分离角（图5数据），这为相位匹配的个性化设计提供了理论依据。
纠缠光子对收集模块
设计包含高通滤波器、偏振分束器（PBS）、波片和单光子探测器的收集光路。关键创新在于提出光子计数理论模型(14)：通过引入泵浦光强度p、光学路径衰减系数ηp（实测0.32）、SPDC生成率r（约10^-6）、收集效率ηd（0.28）和探测器效率ηs（0.65）等参数，预测单通道计数应为4,500-4,800 counts/s。
主要结果
实验数据与模型高度吻合：
- 实测单光子均值为4,646 counts/s（图7），落在理论预测区间
- 通过有/无BBO晶体的对照实验，验证了96.2%的纠缠纯度
- 系统总功耗仅5.8 mW，较传统方案降低2个数量级
结论与价值
该研究实现了三个突破：
1. 科学价值：首次建立低功耗SPDC系统的完整理论模型，揭示了晶体切割角与纠缠特性的定量关系
2. 技术革新：开发基于激光二极管的小型化纠缠光源，功耗降低至商用系统的1/100
3. 应用前景：为量子照明、芯片级量子器件的实用化铺平道路
研究亮点
1. 方法论创新：将柱面透镜模拟算法（公式3-6）引入低功率激光的光束整形
2. 器件设计：通过II型BBO晶体的切割角优化（42°），实现810 nm纠缠光的高效生成
3. 系统验证：实验数据与理论模型的误差%，证实模型的可靠性
其他贡献
研究团队进一步指出：未来需将时间关联计数纳入模型，以更精确描述量子随机过程。该工作为定制化纠缠源设计提供了普适性框架，相关方法可扩展至周期性极化晶体等新材料体系的研究。值得注意的是，该成果已应用于北航的量子成像实验系统，验证了其在复杂环境下的稳定性。