專利名稱：連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非經(jīng)典光場的產(chǎn)生裝置，具體是一種可以應(yīng)用于量子信息網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
量子糾纏是量子力學(xué)最重要的精華內(nèi)容之一，它被認(rèn)為是量子信息和量子計(jì)算的重要資源。雙色糾纏光場在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)被制備，并且應(yīng)用于多種量子信息協(xié)議。而受控量子通信協(xié)議，比如受控量子密集編碼，量子離物傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)以及量子秘密共享等，需要利用多組份糾纏光場來實(shí)現(xiàn)。由原子與光場組成的量子信息網(wǎng)絡(luò)的研究是發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。其中，原子用作量子信息存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)，光場用于節(jié)點(diǎn)之間的量子信息的傳輸。量子信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對多色糾纏光源提出了要求。工作在閾值以上的非簡并光學(xué)參量振蕩腔是產(chǎn)生連續(xù)變量雙色以及多色糾纏光場的有效器件。在2005年，多個(gè)研究組先后在實(shí)驗(yàn)上利用工作在閾值以上的非簡并光學(xué)參量振蕩腔得到了連續(xù)變量雙色糾纏光場。在2009年，巴西的研究組首次利用工作在閾值以上的非簡并光學(xué)參量振蕩腔在低溫條件下(-23° C)得到了連續(xù)變量三色糾纏光場，它們的波長分別為1062.102nm, 1066.915nm,532.251nm。他們需要將非簡并光學(xué)參量振蕩腔的非線性光學(xué)晶體冷卻到低溫條件工作，以克服聲子噪聲的影響，來得到連續(xù)變量三色糾纏光場。然而，他們方法的糾纏光場的波長沒有與原子吸收線以及光纖通信窗口相對應(yīng)。發(fā)明波長同時(shí)與原子吸收線以及低損耗的光纖通信窗口相對應(yīng)的連續(xù)變量多色糾纏光源是構(gòu)建實(shí)用化的量子信息網(wǎng)絡(luò)的必然要求。目前，市場上還沒有產(chǎn)生連續(xù)變量多色糾纏光場的商用裝置，其主要原因在于產(chǎn)生連續(xù)變量多色糾纏光場的裝置復(fù) 雜龐大，而且技術(shù)要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、調(diào)節(jié)方便的可以應(yīng)用于量子信息網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置。該裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)量子信息的存儲(chǔ)和傳輸，進(jìn)而應(yīng)用于量子信息網(wǎng)路。本發(fā)明設(shè)計(jì)了兩個(gè)工作在閾值以上的非簡并光學(xué)參量振蕩腔組成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，可以產(chǎn)生波長同時(shí)與原子吸收線以及低損耗的光纖通信窗口相對應(yīng)的連續(xù)變量多色糾纏光場。本發(fā)明提供的一種連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，包括激光器、第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔、第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔和三套、四套或五套非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)；所述的激光器的輸出功率高于第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔的泵浦閾值功率；所述的激光器產(chǎn)生的波長為λ ^的光場a(|，作為第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔的泵浦光場；第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔在波長為λ (I的泵浦光場Stl作用下,通過光學(xué)參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生波長分別為入1和λ 2的信號(hào)光場ai和閑置光場a2;所述的波長滿足能量守關(guān)系，f = f+ f (C是光場傳播的速度);波長為X1的信號(hào)光場ai再作為第二非簡并光學(xué)參
量振蕩腔的泵浦光場，并且利用第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔的調(diào)諧特性，使閑置光場a2的波長λ 2與銫原子吸收線相對應(yīng)，用于量子信息的存儲(chǔ)；同時(shí)，第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔在波長為X1的泵浦光場ai作用下，通過光學(xué)參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生波長分別為入3和λ 4的信號(hào)光場a3和閑置光場a4;所述的波長滿足
能量守關(guān)系，f = f + f(c是光場傳播的速度);利用第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔的調(diào)諧特 A1 A3 A4
性，使信號(hào)光場a3和閑置光場a4的波長入3和λ 4分別與光纖通信窗口相對應(yīng)，用于量子信息的傳輸；非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)用于對光場的正交分量的測量。所述的第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔采用由兩片凹鏡、兩片平鏡和非線性晶體組成的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中一片平鏡作為輸入耦合鏡對波長λ O的光場的透過率為22-32%，以及對波長λ I和波長λ 2的光場高反,另一片平鏡作為輸出I禹合鏡對波長λ O的光場的高反，以及對波長λ I和波長λ 2的光場透過率為2-4%，兩片凹鏡都對波長λ O、λ I和λ 2的光場高反，并且其中 一片凹鏡被固定在壓電陶瓷上，非線性晶體使用吸收損耗低的被精確控溫的PPKTP晶體；所述的第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔采用由兩片凹鏡、兩片平鏡和非線性晶體組成的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中一片平鏡作為輸入耦合鏡對波長X1的光場的透過率為2-12%，以及對波長λ 3和波長λ 4的光場高反,另一片平鏡作為輸出稱合鏡對波長λ j的光場的高反，以及對波長λ 3和波長λ 4的光場透過率為3-5%,兩片凹鏡都對波長λ O、λ I和λ 2的光場高反，并且其中一片凹鏡被固定在壓電陶瓷上，非線性晶體使用有效非線性系數(shù)高的被精確控溫的PPLN晶體；所述的非等臂馬赫-曾德干涉儀由波片，偏正分束棱鏡，兩片高反鏡，長度不同的兩根光纖以及50/50分束鏡組成，其中一片高反鏡固定在壓電陶瓷上。本發(fā)明連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，通過對非簡并光學(xué)參量振蕩腔構(gòu)成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中非線性光學(xué)晶體以及泵浦光場的嚴(yán)格選擇和設(shè)計(jì)，第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔反射的泵浦光場和輸出的閑置光場，以及第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔反射的泵浦光場和輸出的信號(hào)光場、閑置光場之間可以存在量子關(guān)聯(lián)，得到連續(xù)變量多色糾纏光場。該裝置產(chǎn)生光場的波長可以分別與原子吸收線以及光纖通信窗口相對應(yīng)，進(jìn)而應(yīng)用于量子信息網(wǎng)路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明使用兩個(gè)非簡并光學(xué)參量振蕩腔組成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定。本發(fā)明所產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光場，通過分別調(diào)節(jié)每個(gè)非簡并光學(xué)參量振蕩腔的非線性晶體的溫度，可以實(shí)現(xiàn)糾纏光場的波長調(diào)諧?？傊?，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于量子信息網(wǎng)絡(luò)。


圖1本發(fā)明連續(xù)變量三色糾纏光場的產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明連續(xù)變量四色糾纏光場的產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明連續(xù)變量五色糾纏光場的產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明:實(shí)施例1.連續(xù)變量三色糾纏光場的產(chǎn)生裝置如圖1所示的一種連續(xù)變量三色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，包括激光器1、第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔2、第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔3和三套非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)4、5、6。所述的激光器I產(chǎn)生的波長為λ ^的光場a。,作為第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔2的泵浦光場。第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔2在波長為λ ^的泵浦光場a。作用下,通過光學(xué)參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生波長分別為入1和λ 2的信號(hào)光場ai和閑置光場a2，并且通過雙色分束片將它們分開。其中，波長為λ ,的信號(hào)光場ai作為第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔3的泵浦光場，波長為λ 2的閑置光場&2輸入非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)4。第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔3在波長為λ i的泵浦光場ai作用下，通過光學(xué)參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生波長分別為入3和λ 4的信號(hào)光場a3和閑置光場a4，并且通過雙色分束片將它們分開。其中，波長為λ 3的信號(hào)光場a3和波長為λ 4的閑置光場a4分別輸入非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)5、6。第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔2采用由兩片曲率半徑為IOOmm的凹鏡、兩片平鏡和非線性晶體組成的四鏡環(huán)形腔結(jié) 構(gòu)，其中一片平鏡用作輸入耦合鏡，對波長λ。的光場的透過率為30%，以及對波長λ i和波長λ 2的光場高反，輸入耦合鏡反射的泵浦光場能夠被直接測量，另一片平鏡用作輸出耦合鏡，對波長λ ^的光場的高反，以及對波長X1和波長λ2的光場透過率為3%，兩片凹鏡都對波長λ O、λ I和λ 2的光場高反。第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔3采用由兩片曲率半徑為IOOmm的凹鏡、兩片平鏡和非線性晶體組成的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中一片平鏡用作輸入耦合鏡，對波長X1的光場的透過率為10%，以及對波長λ 3和波長λ 4的光場高反，輸入耦合鏡反射的泵浦光場能夠被直接測量，另一片平鏡用作輸出耦合鏡，對波長X1的光場的高反，以及對波長λ3和波長λ4的光場透過率為4%,兩片凹鏡都對波長λ O、λ I和λ 2的光場高反。同時(shí),兩個(gè)非簡并光學(xué)參量振蕩腔2、3的輸出耦合鏡都被固定在壓電陶瓷上，用來主動(dòng)掃描腔長，以及鎖定在與亞諧波模式共振的腔長上。連續(xù)變量多色糾纏光場要求非簡并光學(xué)參量振蕩腔產(chǎn)生的信號(hào)光場和閑置光場的波長差通常比較大，這在非線性光學(xué)晶體中將引起大的走離效應(yīng)，并且顯著地減小非線性作用。周期極化晶體采用交替反轉(zhuǎn)極化的鐵電結(jié)構(gòu)，可以有效的解決走離效應(yīng)帶來的問題。PPLN晶體的有效非線性系數(shù)高于PPKTP晶體的，但是它的吸收損耗大于PPKTP晶體的。由于第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔2輸出的信號(hào)光場作為第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔3的泵浦光場，因此這就要求第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔2的信號(hào)光場的功率高于第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔3的泵浦閾值功率。為了得到第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔2的強(qiáng)輸出光場，這就要求選擇地低的吸收損耗PPKTP晶體，來減小內(nèi)腔損耗。第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔3需要低的泵浦閾值功率，這就要求選用高的有效非線性系數(shù)的PPLN晶體。兩個(gè)非簡并光學(xué)參量振蕩腔2、3分別使用了尺寸是l*2*10mm3的PPKTP晶體和PPLN晶體。兩個(gè)非線性光學(xué)晶體都放在控溫爐子中，晶體的溫度通過電子溫度控制儀被獨(dú)立控制，控溫精度達(dá)到
0.01° C。連續(xù)變量多色糾纏光源的的波長調(diào)諧可以通過分別改變兩個(gè)非簡并光學(xué)參量振蕩腔2、3中非線性光學(xué)晶體的溫度來實(shí)現(xiàn)對下轉(zhuǎn)換光場波長的調(diào)諧。非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)4、5、6用于對光場的正交振幅和正交位相進(jìn)行測量。不同長度的兩根光纖分別作為干涉儀的長臂和短臂。我們先測量每一束光場的正交振幅噪聲和正交位相噪聲，再通過功率加減法器得到它們的關(guān)聯(lián)噪聲。首先，通過調(diào)節(jié)波片，使光束只通過短臂，這時(shí)兩個(gè)探測器的和以及差分別得到正交振幅噪聲以及相應(yīng)的量子噪聲極限。然后，通過調(diào)節(jié)波片，使光束同時(shí)通過長臂和短臂，并且保證兩臂光場的光程差為π/2+2k π，這時(shí)兩個(gè)探測器的差以及和分別得到正交位相噪聲以及相應(yīng)的量子噪聲極限。要想實(shí)現(xiàn)在指定邊帶處的噪聲測量，對兩臂的長度差有嚴(yán)格要求。在我們的系統(tǒng)中，要想測量2MHz處的關(guān)聯(lián)噪聲，這就要求兩臂長度差是48m。接下來，通過功率加法器和功率減法器，可以得到正交分量的關(guān)聯(lián)噪聲。最后，利用頻譜分析儀，可以對正交分量的關(guān)聯(lián)噪聲進(jìn)行測量。如果光場的正交分量滿足如下兩個(gè)不等式:
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括激光器、第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔、第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔和三套、四套或五套非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)；所述的激光器的輸出功率高于第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔的泵浦閾值功率；所述的激光器產(chǎn)生波長為λ ^的光場a(1，作為第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔的泵浦光場；第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔在波長為λ 0的泵浦光場％作用下，通過光學(xué)參量下轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生波長分別為X1和λ2的信號(hào)光場ai和閑置光場a2;所述的波長滿足能量守關(guān)系，
2.按權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述的第一非簡并光學(xué)參量振蕩腔采用由兩片凹鏡、兩片平鏡和非線性晶體組成的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中一片平鏡作為輸入耦合鏡對波長λ O的光場的透過率為22-32%，以及對波長λ I和波長λ 2的光場高反,另一片平鏡作為輸出I禹合鏡對波長λ O的光場的高反，以及對波長λ I和波長λ 2的光場透過率為2-4%，兩片凹鏡都對波長λ O、λ I和λ 2的光場高反，并且其中一片凹鏡被固定在壓電陶瓷上，非線性晶體使用吸收損耗低的被精確控溫的PPKTP晶體。
3.按權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述的第二非簡并光學(xué)參量振蕩腔采用由兩片凹鏡、兩片平鏡和非線性晶體組成的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中一片平鏡作為輸入稱合鏡對波長λ I的光場的透過率為2-12%,以及對波長λ 3和波長λ 4的光場高反，另一片平鏡作為輸出I禹合鏡對波長λ I的光場的高反，以及對波長λ 3和波長λ 4的光場透過率為3-5%，兩片凹鏡都對波長λ O、λ I和λ 2的光場高反，并且其中一片凹鏡被固定在壓電陶瓷上，非線性晶體使用有效非線性系數(shù)高的被精確控溫的PPLN晶體。
4.按權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述的非等臂馬赫-曾德干涉儀由波片，偏正分束棱鏡，兩片高反鏡，長度不同的兩根光纖以及50/50分束鏡組成，其中一片高反鏡固定在壓電陶瓷上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種連續(xù)變量多色糾纏光場的產(chǎn)生裝置，包括激光器、兩個(gè)非簡并光學(xué)參量振蕩腔和三至五套非等臂馬赫-曾德干涉測量系統(tǒng)。本發(fā)明利用兩個(gè)級(jí)聯(lián)非簡并光學(xué)參量振蕩腔產(chǎn)生連續(xù)變量多色糾纏光場，具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。并且它所產(chǎn)生的連續(xù)變量多色糾纏光場可以同時(shí)應(yīng)用于量子存儲(chǔ)以及量子通信，在量子信息網(wǎng)絡(luò)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G02F1/35GK103091933SQ20131003615
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者閆智輝, 賈曉軍, 蘇曉龍, 謝常德, 彭堃墀 申請人:山西大學(xué)