光纤用于量子：如何将光引入量子计算机

图1.几十年来，光纤已被证明是量子光学实验的强大工具。这些实验受益于光纤带来的更高稳定性和便利性，未来的量子计算机也将如此。对精度、稳定性和坚固性的特定需求，要求高质量的光学元件和量身定制的光纤解决方案。

  工业界和科学界的技术进步使得人们能够以前所未有的控制水平来制备、操控和探测量子系统。这为众多所谓的量子技术（如量子密码学、量子传感器和量子计算机）奠定了基础，而这些技术目前正从实验室实验向商业应用发展。

量子计算机有望高效解决物流或城市发展中的优化问题，并实现生物技术和药物设计所需的计算密集型模拟。目前，数十亿美元正被投入到量子计算机的研究中，以寻找实现量子计算机的最佳物理平台。

 最有前景的平台之一是由超冷原子或离子系统构成的，其中逻辑单元——“量子比特”——被编码在单个原子或离子的内部状态中。这些系统的制备、编程和读出都依赖于对激光的可靠使用，而对激光的强度、频率以及偏振状态的控制有着极高的要求。

  几十年来，光纤已被证明是这类实验的强大工具，这些实验受益于光纤带来的更高稳定性和便利性，最终的量子计算机也将如此。对精度、稳定性和坚固性的特定需求，要求高质量的光学元件和量身定制的光纤解决方案。

量子比特如何从光纤中受益？

  大多数量子光学实验的基础是一个激光系统，它提供具有特定强度、频率和偏振状态的相干激光。为了将这些光用于原子和离子的冷却、操控和探测，必须对其进行传输、分配和分析。保偏光纤光缆、光纤耦合器和准直器、光纤端口簇以及偏振分析器可用于完成这一任务。

  传统装置通常需要大型的面包板配置，由于光机器件的不稳定性，需要频繁调整。紧凑、坚固且模块化的光纤解决方案作为激光系统的构建模块，兼具稳定性和便利性。它们是将实验室装置发展为交钥匙、低维护终端产品的完美基础。此外，这些自成一体的装置提高了激光安全性并降低了激光安全等级。

  此外，基于光纤的光传输在激光源与更为敏感的量子气体实验或量子信息平台环境之间提供了一个明确的接口。因此，它提供了一种物理隔离，可实现机械和热学解耦，有助于抑制相互不利的影响。光机械稳定性的保障意味着可以将全部注意力集中在实验上（而非设备上）。

  通过使用光纤连接各个独立模块，以及在量子计算机所需模块的不同部分中使用光纤，可以构建大型且复杂的量子装置。

单模和保偏光纤光缆

   单模光纤是一种特殊光纤，仅以LP01横向基模传输光。从光纤出射的光的场分布（模场）近似为高斯分布。在标准单模光纤中，光以两个主偏振态进行传输。然而，光纤中的缺陷会导致两个主偏振态之间发生随机的功率转移，因此偏振无法得到保持。

   保偏单模光纤（PM光纤）具有旋转不对称性，例如通过集成应变元件来打破两个主偏振态（SOP）的简并。光沿“快”轴或“慢”轴传输。耦合到其中一个轴上的线偏振光能够保持其偏振状态。偏振消光比（PER）——即两个偏振轴上所承载功率的比值——是衡量光纤对准的关键指标。由于偏振在量子实验的许多阶段都至关重要，因此在光传输中，PM光纤通常优于标准单模光纤。

   标准单模光纤和保偏光纤的特征由其数值孔径NA、模场直径（MFD）和截止波长λ0来表征。只有在高于该截止波长的波长下，耦合光才会以单模而非多模方式传输，因为多模情况下光束和强度分布不再稳定，也不再是高斯分布。模场直径与波长相关，且与光纤的NA成反比。虽然用于红外波段（约1550 nm波长）通信的光纤具有约10 µm的相对较大的模场直径，但在紫外波段，典型单模或保偏光纤的MFD较小，例如对于405 nm、标称NA = 0.12的光纤，其MFD为3 µm。

   标称NA并不完全反映射出辐射的发散特性。然而，对于将光束耦合进光纤而言，发散特性（连同准直光束直径一起）决定了最佳耦合焦距，详见下文。因此，重要的是针对每种光纤、不同波长以及每个光纤线盘测量有效数值孔径NAe2。如图2所示，这些详细测量表明，对于短波长光纤，有效数值孔径随波长变化，并非如标准模型和通信光纤中所假设的那样恒定不变。通常，标准单模光纤和保偏光纤的有效NAe2随波长增加而减小。

图2.一根可在400 nm至640 nm之间使用的RGB光纤的有效数值孔径NAe2及相应的模场直径（MFD）。NAe2随波长增加而显著减小。

保偏光纤的长期稳定耦合

  长期稳定、坚固且高效的光纤耦合是所有基于光纤装置的基础。当目标是构建低维护的交钥匙产品时，这一点尤为重要。通常使用光纤耦合器或激光束耦合器来耦合进入（保偏）光纤光缆。

  在耦合进入单模光纤时，激光束耦合器应产生衍射极限的光斑，其大小与光纤的模场直径和有效数值孔径相匹配，以实现最大耦合效率。只有在满足这一条件时，才能实现高达85%的高耦合效率。

   关于有效NAe2的准确信息对于确定正确的耦合焦距至关重要，该焦距由激光束直径和有效光纤NAe2共同计算得出。焦距过大则效率低下，因为聚焦后的激光光斑大于模场直径。如果焦距过小，聚焦激光光斑的会聚角大于光纤可接受的最大发散角，耦合效率就会降低。对于最佳选择的焦距，理想高斯光束几乎可以完全耦合，除了两个未镀膜光纤端面因菲涅耳反射各自造成约4%的损耗外。

   在将自由光束耦合进保偏光纤时，激光束耦合器所需的指向稳定性可以通过一个例子来说明：在焦距为5 mm时，耦合器仅0.2 mrad（0.01°）的角度失配就会导致激光光斑与光纤模场之间产生1 µm的横向位移。在λ = 400 nm、标称NA为0.12的情况下，仅0.4 µm的位移就足以使耦合效率降低多达10%。因此，为了实现高耦合效率和长期稳定性，耦合光学器件需要亚微米级精度和指向稳定性，尤其是在蓝光波段。

  使用光纤耦合器进行光纤耦合的高稳定性已在采用不同焦距和波长的温度稳定性测试中得到验证。测试装置如图3所示。

图3：用于测量两个激光束耦合器（f = 4.5 mm，λ = 405 nm）在15 °C至35 °C之间连续温度循环期间稳定性的测试装置。

图4：相对功率（相对于平均功率归一化）呈现出随温度（下方）变化的重复模式，最大偏差为±1.5%。

  图4显示了使用4.5 mm焦距和405 nm波长在5个测量周期内相对透射功率的典型结果。功率相对于所有测量周期中获得的平均功率进行归一化。功率与平均功率的偏差为±1.5%。

图5：相对功率曲线（相对于最大功率归一化）几乎重合，证实了温度循环过程中指向稳定性的高度可重复性。最大偏差仅为3%。

    由温度循环引起的相对功率重复模式在图5中更为清晰地展示，其中相对功率（相对于最大值归一化）被绘制为激光束耦合器温度的函数。最大耦合效率在略高于25 °C时达到，并且在较低温度下比在较高温度下下降得更快，而在所需工作点（25 °C）附近斜率最小。

   每个测量周期对应的功率曲线几乎重合，相同温度点处的功率变化小于1%。这证明了温度循环过程中指向稳定性的可重复性以及光纤耦合的长期稳定性。相对于最大功率的最大偏差仅为3%，使其成为量子研究工作的理想基础。

   作为激光束耦合器的替代方案，光纤准直器也可以反向用于耦合进入保偏光纤。带有精细调焦机构的光纤耦合器和准直器可以轻松、高度精确且无回差地调节焦点。即使所用激光源的发散角或波长频繁变化，这也能确保高耦合效率。

光束分配——光纤端口簇

   量子气体的制备和操控需要从不同空间方向用相干激光照射原子团。因此，必须将激光分束到不同的光束路径中，同时保持对其偏振状态的控制。

    光纤端口簇是紧凑的光机单元，可将来自一根或多根保偏（PM）光纤的辐射高效地分束到多根输出保偏光纤光缆中，且分束比可变。该光束传输系统由紧凑、模块化的光机单元组成。模块化设计确保几乎任何所需的系统都能以紧凑且密封的方式组装。由于光纤端口簇内光学元件对偏振敏感，因此使用保偏光纤将具有确定线偏振的光传输到该端口簇。所用光纤的偏振消光比（PER）大于26 dB（在780 nm处测量）。

  对于单输入波长的光纤端口簇，光束分束通过旋转半波片与偏振分束器级联来实现。集成元件（如光电二极管）可提供有用的输入功率监测。输入和/或输出端可配备电磁快门。通过使用旋转半波片，可以实现几乎任何所需的分束比。多项实验已经证明了标准光纤端口簇的高稳定性和坚固性。

图6：a) 光纤端口簇26的光学方案。箭头和圆点表示偏振状态。

b) 用于合并两个波长的输入组，带有二向色光束合并器（带有两个功率监测器）。
c) 通过偏振光束合并器后接二向色波片来合并两个波长的方案。带有两个功率监测器的输入组。

   Schäfter+Kirchhoff还提供带有两个输入端口的光纤端口簇，例如用于 780 nm 磁光阱（MOT）的冷却频率和再泵浦频率（图6a）。也可以将不同波长的光束在光纤端口簇的输入端口处合并，随后将两种成分等量分束，例如双物种 MOT 所需的那样。当使用多波长输入时，输入端口之间的波长差决定了如何实现合并。对于波长差较大的两个激光源，使用二向色光束合并器（图6b）。如果波长差太小而无法进行二向色光束合并，则可以使用偏振分束器和随后的二向色波片来实现复用（图6c）。

   然后使用光纤准直器对从连接在光纤端口簇输出端口的保偏光纤出射的光进行准直。对于两个激光器的波长差太大而无法在共同单模光纤中传输的情况，Schäfter+Kirchhoff 开发了带有集成二向色光束合并器的特殊光纤准直器，其具有两个独立的输入端口用于两个光源。如果需要圆偏振光，可以使用直接集成四分之一波片的光纤准直器。

偏振分析

   对于超冷原子或离子系统等量子平台，控制偏振状态及其分析至关重要。它对保偏光纤耦合过程也很重要。这里描述的偏振分析器有两个主要应用：一是监测保偏光纤与光源偏振轴的对准情况；二是确定一般的偏振状态，并根据要求进行设定。更多细节可参见文献[4]。

   偏振的确定方法是对经过旋转四分之一波片和静态偏振片后到达光电二极管的光进行评估。通过详细分析光电二极管信号以及四分之一波片的时间/位置信息，可以获得斯托克斯参数。然后将偏振状态绘制在庞加莱球上，这样偏振状态的任何变化以及旋转方向（绘制在北半球或南半球）都易于观察。

    为了将保偏光纤与线偏振光源快速、准确地对准，高效地确定并显示偏振消光比（PER）至关重要。未完全耦合进其中一个偏振轴的线偏振光的偏振无法得到保持，并且偏振会随温度和应变变化而改变。通过仔细且有目的地引入环境变化（如温度变化或光纤缓慢弯曲），可以在庞加莱球上将其可视化，这会在庞加莱球上形成一个数据圆，该圆由两个主偏振态之间诱导的相位差所导致。

   该圆代表当前对准情况下所有可能的偏振状态，其中心代表平均偏振消光比。对于理想的保偏光纤，平均偏振消光比应位于赤道上。距离赤道最远的数据点显示当前对准情况下可能出现的最差偏振消光比。

   在调整光纤耦合时，庞加莱球上圆的半径是衡量对准质量的指标，因为它显示了光纤偏振轴与光源偏振轴之间的角度偏差。假设光源为理想线偏振光，对于对准不良的光纤，圆的半径较大——偏振随环境条件变化很大——而对于精确对准的光纤，圆的半径较小。

   对于最佳对准的理想光纤，数据圆会收敛到庞加莱球赤道上的一个单点。在调整光纤耦合时，会在改变温度或小心弯曲光纤的同时采集一系列测量点，以生成数据点的圆形轨迹。系统会自动将圆拟合到这些数据点，并显示平均PER和最小PER（图7a）。现在可以相对于光源的偏振轴旋转光纤的偏振轴，直到圆的半径达到最小值（图7b）。第二次测量则会显示优化后光纤对准的参数。

图7：使用相干激光源调整保偏光纤。调整目标是最小化数据圆半径。

当光纤偏振轴与激光偏振轴之间存在较大的角度偏差时，弯曲光纤或环境温度变化时偏振状态会发生显著变化（a）。光纤的角度对准越好，偏振变化越小，圆半径也越小（b）。

结论

   几十年来，光纤已被证明是量子实验的强大工具。多年来取得的进展为各种所谓的量子技术奠定了基础，例如量子密码学、量子传感器和量子计算机，这些技术目前正从实验室实验向商业应用发展。对精度、稳定性和坚固性的特殊要求，需要高质量的光学元件，例如保偏光纤光缆、光纤耦合器和准直器、光纤端口簇以及偏振分析器，这些元件可覆盖从紫外到红外的波段。

   Schäfter+Kirchhoff GmbH的总部位于德国汉堡。在这里，公司研发、制造高品质的光学产品，并将其运送给全球乃至更广泛地区的客户。该公司成立于1955 年，最初从事经典透镜设计和客户定制光学解决方案。其业务重点逐渐转移到如今的产品线上：保偏光纤光学、机器视觉用激光器，以及线阵相机和扫描仪系统。

   Schäfter+Kirchhoff GmbH公司的光纤耦合产品包括适用于从紫外到红外波段的单模、保偏及多模光纤光缆的光纤组件。包括激光束耦合器、光纤耦合器、光纤准直器、光纤光缆、用于紧凑型及坚固型光纤系统的Multicube模块、光纤端口集群、偏振分析仪以及光纤耦合激光源。

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