低噪单光子频率转换研究及其在量子通信中的应用研究

This project will implement experimental research on the noise in second order nonlinear single-photon frequency conversion process. The project will figure out the noise's sources and spectral intensity distribution and, increase the process's signal noise ratio. Then the project will realize high efficiency and low noise optical frequecny conversion, which will be used in quantum communication. We will utilize the sum frequency generation to up-convert telecom band single photons into visible photons and then detect them by silicon single photon detectors. With this up conversion detector, we will achieve high-speed long-distance quantum cryptography and　communication. We will also utilize the differential frequency generation to convert the visible light in satelite based quantum communication into telecom band light to realize global quantum communication network.

本项目拟在实验上研究二阶非线性单光子频率转换过程中的噪声产生原因和谱强度分布等，研究如何提高频率转换的信噪比, 从而实现高效率、低噪声的光学频率转换，并将之应用于量子通讯， 我们将通过合频转换，将通讯波段的单光子上转换为可见光单光子，用硅单光子探测器探测，在此基础上实现高速度、远距离量子密码和量子通信。我们将通过差频转换，将基于卫星的量子通信所用可见光转换成为通讯波段光，从而形成全球量子通信网络。

量子通信可以提供无条件安全的保密通信，一直是近年来的一个科学研究热点，各国政府和企业都投入大量的人力物力进行研究，在過去的十年內取得了许多重大的突破。然而，量子通信技术也存在着很多技术瓶颈。其中之一就是频率差异，用于地面光纤网络的量子通信采用1550 nm通信波段，但是当前最优的商用硅雪崩二极管单光子探测器只能探测可见和近红外光，无法探测该通信波段的单光子，而自由空间量子通信和量子存储器常用的信号源是800 nm的弱相干光或者量子纠缠光，无法在通信光纤里面传播，使得自由空间，光纤网络和量子存储器三者之间无法实现有效连接。. 解决频率差异的常规途径是利用非线性光学中的合频、差频，即将某一波段的光子通过非线性效应转换为另一波段实现波长匹配，同时保持光子的量子特性不变。本项目研究的主要内容为基于周期性极化铌酸锂波导的低噪声量子光频率转换及其在量子通信中的应用，具体包括：.1.实现低噪量子光频率转换，通过使用长波泵浦技术来抑制非线性过程中的噪声，实现低噪声高效率的转换。.2.搭建上转换单光子探测器并将其应用于量子信息领域。.3.搭建低噪差频转换装置以实现自由空间量子光差频转换至通信波段。. 在本项目研制的过程中，顺利的完成了预期的指标，产生了一批具有国际前沿水平的科研成果，诸如：室温下最优的通讯波段单光子探测器，量子效率28%，噪声100cps；基于上转换探测器在世界上首次实现了测量设备无关量子密钥分发（MDIQKD）实验，这一研究成果发表于国际知名期刊PRL，被美国物理学会评为年物理学年度进展之一，之后，我们又把MDIQKD的安全通信距离扩展到了404km，创下新的世界纪录，该系列研究成果获得2014年度中国十大科技进展；同时，我们完成了城域网的量子态隐形传输、高容错率量子密码、量子比特承诺、量子指纹识别等成果。

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