應用探究 | 量子計算DOPA 產生壓縮態：選 ppln 還是 PPKTP？

背景

在量子技術中，壓縮態（squeezed state）作為一種關鍵的連續變量量子態，已成為突破經典物理極限、提升系統性能的重要資源。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變量量子密鑰分發（CV-QKD）的核心資源，在量子計算中，壓縮態則是實現高斯玻色采樣（GBS）的關鍵資源態。

光學參量振蕩（OPO）和放大（OPA）常用于產生壓縮態，這通常是由非線性晶體實現的，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。山西大學張寬收教授課題組分別使用PPLN和PPKTP晶體，通過Type-I的簡并光學參量放大（DOPA）產生了1550 nm波段的明亮相位壓縮態。1550nm波長在標準通信光纖中具有zui低傳輸損耗的，使得產生的壓縮態可以與現有的光纖通信網絡相結合。

實驗光路

文章中通過下圖中DOPA結構來產生壓縮態，在腔內放置了一塊Type-I 型準相位匹配的周期性極化晶體，并注入泵浦光（2ω 775nm）以及信號光（ω 1550nm）。1550nm的光在DOPA 腔內共振，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生產壓縮態的實驗中，研究人員采用的是對1550nm的CW激光器進行分光，一路經過外部增強PPLN倍頻腔，由SHG產生775nm，作為后續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的本振光。值得一提的是光路中的MC（mode cleaner），使用電光調制器（EOM）通過PDH穩頻技術鎖定MC1的腔體，從而對激光的空間模式和額外強度噪聲進行初步過濾。

PPLN&PPKTP性能對比

• PPLN

優勢

PPLN晶體具有更大的有效非線性系數，可以實現更高效的波長轉換。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，產生振蕩。

劣勢

為了避免光折變效應和光學損傷，PPLN的相位匹配溫度相對更高，本實驗中達到了135.2℃。高工作溫度使得PPLN內產生更強的導波聲波布里淵散射 (guided acoustic-wave Brillouin scattering, GAWBS)，帶來額外的相位噪聲，并顯著降低壓縮度。

• PPKTP

優勢

在產生壓縮態的過程中，PPKTP的優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℃即可維持穩定的相位匹配。可以抑制GAWBS相位噪聲，達到更高的壓縮度。

劣勢

PPKTP的非線性系數相對較低，當需要較高的轉換效率時，可以采用更高的泵浦功率或者搭腔來補償。

小結

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DOPA/DOPO閾值

在山西大學這篇文章中，關注的是振蕩閾值下DOPA的情況，而對于壓縮態的產生而言，振蕩閾值以上，變為DOPO的情況也具有相當的意義，例如在量子計算中大火的相干伊辛機（CIM）可以基于DOPO網絡來實現人工自旋。當位于振蕩閾值以下，處于壓縮真空態，而閾值以上則會產生對應于相位0和π的壓縮相干態。

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，當位于閾值之下，實現了量子并行搜索；當位于閾值時，發生了集體對稱性破缺；而在閾值以上時，系統不僅僅是量子態的疊加，而是表現出經典的振蕩相位，成為量子-經典交叉。文中采用 PPLN 光纖耦合波導作為 DOPO 的非線性晶體，用于實現參量放大與壓縮過程。

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參考文獻

1. Wan, Zhenju, et al. "Comparison of phase quadrature squeezed states generated from degenerate optical parametric amplifiers using PPKTP and PPLN." Optics express 26.5 (2018): 5531-5540.

2. Jin, Jing-Yi-Ran, Shuang-Quan Ma, and Qing Ai. "Quantum Phase transitions 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 Information 3.1 (2017): 49.