本發(fā)明涉及量子光學和量子信息技術領域，尤其涉及一種信號調制連續(xù)變量糾纏源的制備裝置。

背景技術：

連續(xù)變量糾纏源是量子信息處理的基本資源，可以應用于量子通信、量子計算、量子測量等量子信息處理任務；其糾纏物理量為量子化光頻電磁場的廣義位置與動量，即光場的正交分量。連續(xù)變量糾纏源產(chǎn)生的連續(xù)變量糾纏態(tài)光場能夠方便地通過平衡零拍探測器進行測量，具有探測效率高的優(yōu)點；同時連續(xù)變量糾纏態(tài)光場的制備過程無需后選擇，具有無條件性的特點?；诩m纏態(tài)的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)與相干態(tài)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)相比，具有更優(yōu)的性能。近期的研究表明，如果將糾纏態(tài)進行適當?shù)碾S機調制，能夠進一步提升連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)對量子通道額外噪聲的容忍能力，提高密鑰分發(fā)的性能。

目前在制備信號調制的連續(xù)變量糾纏源時，有如下幾種方式：

第一種采用直接調制的方法：即首先制備出連續(xù)變量糾纏態(tài)光場，然后將連續(xù)變量糾纏態(tài)光場依次通過振幅調制器和相位調制器進行弱調制。該方法雖然實現(xiàn)方案簡潔，然而由于連續(xù)變量糾纏態(tài)光場對線性損耗很敏感，在傳輸經(jīng)過振幅調制器和相位調制器時不可避免會有各種殘余反射、散射等損耗，造成糾纏態(tài)的糾纏度下降，影響后續(xù)的量子信息處理協(xié)議的性能，特別是如果選擇高帶寬的集成波導電光調制器時，器件的插入損耗比自由空間器件更為嚴重。

第二種實現(xiàn)信號調制的連續(xù)變量糾纏源的方法為(參考文獻“continuousvariablequantumkeydistributionwithmodulatedentangledstates，naturecommunications3，1083(2012)”)：將調制信號加載在一束相干態(tài)光場上，然后讓加載調制信號的相干態(tài)光場與待調制的糾纏態(tài)在不平衡分束器上干涉耦合，實現(xiàn)連續(xù)變量糾纏態(tài)的調制。該方法將調制信號間接加載在糾纏態(tài)光場上，糾纏態(tài)光場經(jīng)受的損耗較小。然而該方法的缺點是實現(xiàn)裝置結構較為復雜，需要額外的一束相干態(tài)光場與待調制的糾纏態(tài)在分束器上干涉，并且干涉的相對相位需要通過電子伺服系統(tǒng)鎖定來確保正確的正交分量得到調制，導致信號調制連續(xù)變量糾纏源的制備裝置成本較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決目前信號調制連續(xù)變量糾纏源的制備裝置會造成信號調制的連續(xù)變量糾纏源的糾纏度下降，影響后續(xù)的量子信息處理協(xié)議的性能及結構復雜、成本高的技術問題，提供一種信號調制連續(xù)變量糾纏源的制備裝置。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種信號調制連續(xù)變量糾纏源的制備裝置，包括單頻激光器、非簡并光學參量振蕩器、本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)、注入信號光調制系統(tǒng)、移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)和第一分光器；所述注入信號光調制系統(tǒng)由光纖耦合器、電光振幅調制器、電光相位調制器和反射器構成，光纖耦合器、電光振幅調制器、電光相位調制器和反射器依次連接；

所述單頻激光器與非簡并光學參量振蕩器連接，且單頻激光器雙向抽運非簡并光學參量振蕩器產(chǎn)生信號光和閑置光；非簡并光學參量振蕩器與本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)連接，且非簡并光學參量振蕩器產(chǎn)生的信號光和閑置光經(jīng)本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)后，分離為本地振蕩光和注入信號光；本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)與注入信號光調制系統(tǒng)中的光纖耦合器連接，本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)分離的部分信號光即注入信號光經(jīng)光纖耦合器耦合后，依次進入電光振幅調制器和電光相位調制器，經(jīng)電光振幅調制器的振幅調制和電光相位調制器的相位調制后，得到首次調制后的注入信號光；首次調制后的注入信號光被反射器反射，反射的注入信號光被電光相位調制器和電光振幅調制器二次調制，二次調制后的注入信號光反向注入非簡并光學參量振蕩器，經(jīng)非簡并光學參量振蕩器參量放大后產(chǎn)生的信號調制的兩組份連續(xù)變量糾纏光場，該糾纏光場被與非簡并光學參量振蕩器連接的第一分光器空間分離為兩組份；電光振幅調制器和電光相位調制器分別與移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)中的混頻器連接，電光振幅調制器和電光相位調制器進行調制所需的移頻調制信號由移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生。

進一步地，所述本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)由第二分光器和部分反射鏡構成，且第二分光器和部分反射鏡依次設在非簡并光學參量振蕩器的輸出場光路上；第二分光器將非簡并光學參量振蕩器輸出的信號光與閑置光空間分離，閑置光和透射的部分信號光被部分反射器反射出一部份作為本地振蕩光場，剩余的透射部分信號光即注入信號光進入注入信號光調制系統(tǒng)中的光纖耦合器。

進一步地，所述移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)由第一正弦波信號發(fā)生器、第一混頻器、第二混頻器、第二正弦波信號發(fā)生器、第一調制信號發(fā)生器和第二調制信號發(fā)生器構成，所述第一正弦波信號發(fā)生器和第一調制信號發(fā)生器的輸出端分別與第一混頻器的第一和第二輸入端連接，第一混頻器輸出端與電光振幅調制器連接，第二正弦波信號發(fā)生器和第二調制信號發(fā)生器的輸出端分別與第二混頻器的第一和第二輸入端連接，第二混頻器輸出端與電光相位調制器連接；第一調制信號發(fā)生器產(chǎn)生的第一調制信號與第一正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生的第一正弦波信號通過第一混頻器混頻后產(chǎn)生的移頻振幅調制信號加載到電光振幅調制器上；第二調制信號發(fā)生器產(chǎn)生的第二調制信號與第二正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生的第二正弦波信號通過第二混頻器混頻后產(chǎn)生的移頻相位調制信號加載到電光相位調制器上。

進一步地，所述第一分光器由雙色鏡或者偏振分束器構成。

進一步地，所述電光振幅調制器和電光相位調制器均為波導型電光調制器，尾纖為單模保偏光纖，光纖的接頭類型為fc/apc或fc/upc。

進一步地，所述非簡并光學參量振蕩器輸出的信號光與閑置光的頻率或者偏振態(tài)不簡并。

進一步地，所述光纖耦合器在信號光波長處鍍有減反膜。

本發(fā)明的有益效果是：

通過將調制信號加載到非簡并光學參量振蕩器的注入信號光上，經(jīng)調制的注入信號光再通過非簡并光學參量振蕩器參量放大后得到信號調制的連續(xù)變量糾纏光場，實現(xiàn)將調制信號的加載過程與糾纏源的制備過程有機融合在一起，在連續(xù)變量糾纏源的制備過程中實現(xiàn)信號調制，整個裝置的結構簡單、緊湊且實用。由于本發(fā)明中的調制信號是直接加載在注入信號光上對其進行正交振幅分量和正交位相分量的調制，因此無需相位鎖定裝置，不僅系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，而且成本較低。另外，本發(fā)明中調制信號并不直接對糾纏態(tài)進行調制，無調制損耗，有效避免了直接調制方法帶來的調制損耗較大的不足，保護了糾纏態(tài)在調制過程其糾纏特性不被破壞。因此，與背景技術相比，本發(fā)明具有結構簡單、緊湊且實用，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，成本較低，無調制損耗，不破壞糾纏態(tài)的糾纏特性等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

圖2為信號調制連續(xù)變量糾纏光場正交振幅分量的量子正關聯(lián)示意圖。

圖3為信號調制連續(xù)變量糾纏光場正交位相分量的量子反關聯(lián)示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步地詳細描述。

如圖1所示，本實施例中的信號調制連續(xù)變量糾纏源的制備裝置包括單頻激光器1、非簡并光學參量振蕩器2、本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)3、注入信號光調制系統(tǒng)4、移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)5和第一分光器6；所述注入信號光調制系統(tǒng)4由光纖耦合器9、電光振幅調制器10、電光相位調制器11和反射器12構成，光纖耦合器9、電光振幅調制器10、電光相位調制器11和反射器12依次連接；

所述單頻激光器1與非簡并光學參量振蕩器2連接，且單頻激光器1雙向抽運非簡并光學參量振蕩器2產(chǎn)生信號光和閑置光；非簡并光學參量振蕩器2與本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)3連接，且非簡并光學參量振蕩器2產(chǎn)生的信號光和閑置光經(jīng)本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)3后，分離為本地振蕩光和注入信號光；本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)3與注入信號光調制系統(tǒng)4中的光纖耦合器9連接，本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)3分離的部分信號光即注入信號光經(jīng)光纖耦合器9耦合后，依次進入電光振幅調制器10和電光相位調制器11，經(jīng)電光振幅調制器10的振幅調制和電光相位調制器11的相位調制后，得到首次調制后的注入信號光；首次調制后的注入信號光被反射器12反射，反射的注入信號光被電光相位調制器11和電光振幅調制器10二次調制，二次調制后的注入信號光反向注入非簡并光學參量振蕩器2，經(jīng)非簡并光學參量振蕩器2參量放大后產(chǎn)生信號調制的兩組份連續(xù)變量糾纏光場，該糾纏光場被與非簡并光學參量振蕩器2連接的第一分光器6空間分離為兩組份；電光振幅調制器10和電光相位調制器11分別與移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)5中的混頻器連接，電光振幅調制器10和電光相位調制器11進行調制所需的移頻調制信號由移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)5產(chǎn)生。其中，上述移頻調制信號均滿足弱調制條件，即調幅系數(shù)和調相系數(shù)均遠小于1。

可選地，所述本地振蕩光與注入信號光分離系統(tǒng)3由第二分光器7和部分反射鏡8構成，且第二分光器7和部分反射鏡8依次設在非簡并光學參量振蕩器2的輸出場光路上；第二分光器7將非簡并光學參量振蕩器2輸出的信號光與閑置光空間分離，閑置光和透射的部分信號光被部分反射器8反射出一部份作為本地振蕩光場，剩余的透射部分信號光即注入信號光進入注入信號光調制系統(tǒng)4中的光纖耦合器9。

可選地，所述移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)5由第一正弦波信號發(fā)生器13、第一混頻器14、第二混頻器15、第二正弦波信號發(fā)生器16、第一調制信號發(fā)生器17和第二調制信號發(fā)生器18構成，所述第一正弦波信號發(fā)生器13和第一調制信號發(fā)生器17的輸出端分別與第一混頻器14的第一和第二輸入端連接，第一混頻器14輸出端與電光振幅調制器10連接，第二正弦波信號發(fā)生器16和第二調制信號發(fā)生器18的輸出端分別與第二混頻器15的第一和第二輸入端連接，第二混頻器15輸出端與電光相位調制器11連接；第一調制信號發(fā)生器17產(chǎn)生的第一調制信號與第一正弦波信號發(fā)生器13產(chǎn)生的第一正弦波信號通過第一混頻器14混頻后產(chǎn)生的移頻振幅調制信號加載到電光振幅調制器10上；第二調制信號發(fā)生器18產(chǎn)生的第二調制信號與第二正弦波信號發(fā)生器16產(chǎn)生的第二正弦波信號通過第二混頻器15混頻后產(chǎn)生的移頻相位調制信號加載到電光相位調制器11上；所述移頻振幅調制信號和移頻相位調制信號均滿足弱調制條件，即調幅系數(shù)和調相系數(shù)均遠小于1。其中，第一調制信號發(fā)生器17和第二調制信號發(fā)生器18產(chǎn)生的第一調制信號和第二調制信號的類型為高斯連續(xù)信號，也可以為離散信號。

可選地，所述第一分光器6由雙色鏡或者偏振分束器構成。

可選地，所述電光振幅調制器10和電光相位調制器11均為波導型電光調制器，尾纖為單模保偏光纖，光纖的接頭類型為fc/apc或fc/upc。這種類型的電光調制器的調制帶寬較高、功耗較小、回波損耗小。

可選地，所述非簡并光學參量振蕩器2輸出的信號光與閑置光的頻率或者偏振態(tài)不簡并。

可選地，所述光纖耦合器9在信號光波長處鍍有減反膜，以減少到達光纖耦合器9的入射信號光的反射。

通過本發(fā)明的信號調制連續(xù)變量糾纏源的制備裝置產(chǎn)生的信號調制的連續(xù)變量糾纏光場，應滿足以下兩個要求：

(i)其兩組份各自的正交分量起伏方差均大于相應的無信號調制時糾纏光場兩組份各自的正交分量起伏方差：

其中，和分別為信號調制的連續(xù)變量糾纏態(tài)光場兩組份的正交振幅分量和正交位相分量，和分別為無信號調制時糾纏態(tài)光場兩組份的正交振幅分量和正交位相分量；

(ii)其兩組份的正交振幅分量差起伏方差與正交位相分量和起伏方差之和與無信號調制時相等，且滿足連續(xù)變量糾纏態(tài)的不可分離判據(jù)：

為了便于理解，下面舉例說明通過本發(fā)明制備信號調制的連續(xù)變量糾纏光場的過程。

如圖1所示，本發(fā)明利用532nm單橫模單縱模固體激光器作為單頻激光器1，雙向抽運(泵浦)非簡并光學參量振蕩器2產(chǎn)生0.8微米(閑置光)和1.5微米(信號光)的非簡并參量下轉換光。非簡并光學參量振蕩器2由內置周期極化ktiopo4非線性晶體的四鏡環(huán)形腔構成。非簡并光學參量振蕩器2高于閾值方向上(輸出場光路上)輸出的信號光和閑置光經(jīng)由0.8微米高反&1.5微米高透的第二分光器7、1.5微米部分反射器8分離為三部分：本地振蕩光l1、本地振蕩光l2和1.5微米注入信號光；注入信號光依次經(jīng)過光纖耦合器9耦合進電光振幅調制器10和電光相位調制器11進行首次調制，首次調制后的注入光信號經(jīng)反射器12反射后，被電光相位調制器11和電光振幅調制器10進行二次調制后，沿著原入射光路方向反向注入到非簡并光學參量振蕩器2的低于閾值方向。

電光振幅調制器10和電光相位調制器11的調制信號由移頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)5產(chǎn)生，具體過程為：第一調制信號發(fā)生器17產(chǎn)生的第一調制信號為第一高斯型調制信號，第一正弦波信號發(fā)生器13產(chǎn)生的第一正弦波信號為3.5mhz的正弦波信號，第一高斯型調制信號與第一正弦波信號通過第一混頻器14混頻后，加載到電光振幅調制器10上；第二調制信號發(fā)生器18產(chǎn)生的第二調制信號為第二高斯型調制信號，第二正弦波信號發(fā)生器16產(chǎn)生的第二正弦波信號為3.5mhz的正弦波信號，第二高斯型調制信號與第二正弦波信號通過第二混頻器15混頻后，加載到電光相位調制器11上。其中，第一高斯型調制信號和第二高斯型調制信號的幅度滿足弱調制條件，即調幅系數(shù)和調相系數(shù)均遠小于1。

經(jīng)過移頻調制的注入信號光注入低于閾值的非簡并光學參量振蕩器2，經(jīng)非簡并光學參量振蕩器2參量放大后輸出，輸出的參量放大場被第一分光器6分離為兩組份：s1和s2，它們即為信號調制的連續(xù)變量糾纏態(tài)光場。

為了驗證本發(fā)明制備得到為信號調制的連續(xù)變量糾纏態(tài)光場，可以利用平衡零拍探測器對該糾纏態(tài)光場的正交分量進行探測，產(chǎn)生的光電流信號輸入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行分析記錄，得到糾纏態(tài)光場的正交分量量子關聯(lián)。

圖2是實驗測量到的高斯調制連續(xù)變量糾纏態(tài)的正交振幅分量關聯(lián)示意圖。圖2中a區(qū)的點為散粒噪聲區(qū)，即遮擋住糾纏態(tài)光場s1和s2時，對真空場正交分量進行平衡零拍探測的結果，此時關聯(lián)度為零；b區(qū)的點為無高斯調制信號時糾纏態(tài)光場的正交振幅分量關聯(lián)測量結果；c區(qū)的點為對高斯調制糾纏態(tài)的正交振幅分量關聯(lián)測量結果。從圖2可以看出糾纏態(tài)的正交振幅分量關聯(lián)為正關聯(lián)，經(jīng)高斯調制后的糾纏態(tài)其正交振幅分量起伏明顯增大，其正交振幅分量正關聯(lián)方差與無信號調制時相等：

圖3是實驗測量到的高斯調制連續(xù)變量糾纏態(tài)的正交位相分量關聯(lián)。d區(qū)的點為散粒噪聲區(qū)，即遮擋住糾纏態(tài)光場s1和s2時，對真空場正交分量進行平衡零拍探測的結果，此時關聯(lián)度為零；e區(qū)的點為無高斯調制信號時糾纏態(tài)的正交位相分量關聯(lián)測量結果；f區(qū)的點為信號高斯調制糾纏態(tài)的正交位相分量關聯(lián)測量結果。從圖3可以看出糾纏態(tài)的正交位相分量關聯(lián)為負關聯(lián)，經(jīng)高斯調制后的糾纏態(tài)其正交位相分量起伏明顯增大，其正交位相分量負關聯(lián)方差與無信號調制時相等：

由圖2和圖3的測量結果，并結合信號調制的連續(xù)變量糾纏態(tài)的不可分離判據(jù)：可證明本發(fā)明可以制備信號調制的連續(xù)變量糾纏態(tài)光場。

顯然，上述所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。