CN101495907B - 产生极化纠缠光子的紧凑系统 - Google Patents

Abstract

本发明的各个实施例针对用于产生极化纠缠光子的紧凑系统。在本发明的一个实施例中，非简并极化纠缠光子源(800、1200)包括：半波片(802、1202)，其输出第一泵浦束、第二束和第二泵浦束；第一束偏移器(806、1204)，其引导第一泵浦束到第一传输通道(824、1224)中以及引导第二泵浦束到第二传输通道(826、1226)中。下转换装置(803、804、810、1208、1210)将第一泵浦束转换成第一信号光子和第一闲频光子，以及将第二泵浦束转换成第二信号光子和第二闲频光子。第二束偏移器(808、1206)引导第一信号和闲频光子以及第二信号和闲频光子到单个传输通道中。分色镜(812、1212)引导第一和第二信号光子至第一光纤耦合器并且引导第一和第二闲频光子至第二光纤耦合器。

Description

产生极化纠缠光子的紧凑系统

技术领域

本发明的系统涉及光学装置，并且具体地，涉及产生处于极化纠缠状态的光子的紧凑系统(compact system)。

背景技术

目前从材料科学到量子物理学领域中的新近的和有前途的进步被用于生成基于量子系统的新技术。特别地，某些量子系统可以用来编码和传输量子信息。仅包括由“|0>”和“|1>”表示的两个离散态的量子系统潜在地可以用于各种基于量子系统的应用，包括量子信息编码和处理、光量子光刻和计量学。通常来说，包括两个离散态的量子系统被称为“量子比特系统(qubit system)”，并且称为“量子比特基态(qubit basis state)”的状态|0>和|1>还可用集合符号表示为{|0>，|1>}。垂直和水平极化的光子是基于电磁辐射的双态量子系统的基态的例子。量子比特系统可存在于状态|0>、状态|1>或无穷大数目的同时包括|0>和|1>的状态中的任何一种状态，其作为状态的线性叠加在数学上可表示为：

|ψ>＝α|0>+β|1>

状态|ψ>称为“量子比特”，并且参数α和β是满足以下条件的复值系数：

|α|²+|β|²＝1

对量子系统进行测量在数学上等同于将量子系统的状态投影到其中一个基态上，并且通常来说，将量子系统的状态投影到基态上的概率等于与该基态相关的系数的平方。例如，当在基{|0>，|1>}中测量量子比特系统的状态|ψ>时，发现量子系统在状态|0>中的概率为|α|²并且发现量子系统在状态|1>中的概率为|β|²。

与量子比特系统相关的无穷大数目的纯态在几何学上可用称为“布洛赫球”的单位半径的三维球体来表示：

$|\mathrm{\ψ}\⟩=\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)|0\⟩+e^{\mathrm{i\φ}}\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)|1\⟩$

其中

0≤θ＜π，以及0≤φ＜2π。

图1示出了量子比特系统的布洛赫球表示。在图1中，线101-103分别是正交的x、y和z笛卡儿坐标轴，并且布洛赫球106以原点为中心。布洛赫球106上有无穷多点，每个点表示量子比特系统的唯一态(unique state)。例如，布洛赫球106上的点108表示同时包括一部分的状态|0>和一部分的状态|1>的量子比特系统的唯一态。然而，一旦在基{|0>，|1>}中测量量子比特系统的状态，那么将量子比特系统的状态投影到状态|0>110或状态|1>112上。

包括两个或更多个量子比特系统的系统的状态由量子比特的张量积表示，每个量子比特与其中一个量子比特系统相关。例如，考虑包括第一量子比特系统和第二量子比特系统的系统，其由以下状态表示：

|ψ>₁₂＝|ψ>₁|ψ>₂

其中第一量子比特系统的状态是：

${|\mathrm{\ψ}\⟩}_1=\frac{1}{\sqrt{2}}({|0\⟩}_1+{|1\⟩}_1)$

并且第二量子比特系统的状态是：

${|\mathrm{\ψ}\⟩}_2=\frac{1}{\sqrt{2}}({|0\⟩}_2+{|1\⟩}_2)$

状态|ψ⁺>₁₂还可被重写为状态的线性叠加：

${|\mathrm{\ψ}\⟩}_{12}={|\mathrm{\ψ}\⟩}_1{|\mathrm{\ψ}\⟩}_2$

$=\frac{1}{2}({|0\⟩}_1{|0\⟩}_2+{|0\⟩}_1{|1\⟩}_2+{|1\⟩}_1{|0\⟩}_2+{|1\⟩}_1{|1\⟩}_2)$

其中项|0>₁|0>₂，|0>₁|1>₂，|1>₁|0>₂，和|1>₁|1>₂是张量积空间的基。在状态|ψ>₁₂中的每个乘积状态均具有相关的系数1/2，它指示当在基{|0>₁，|1>₁}中测量第一量子比特系统的状态以及在基{|0>₂，|1>₂}中测量第二量子比特系统的状态时，发现组合的量子比特系统在任意一个乘积状态中的概率为1/4(|1/2|²)。然而，组合的量子比特系统的某些状态无法用相关量子比特的乘积来表示。这些量子比特系统被称为是纠缠的。量子纠缠(quantum entanglement)是量子力学的性质，其中两个或更多个量子系统的状态是相关的，即使量子系统在空间上可能是分开的。纠缠的双量子比特系统的纠缠态的示例表示为：

${|{\mathrm{\ψ}}^{+}\⟩}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}({|0\⟩}_1{|1\⟩}_2+{|1\⟩}_1{|0\⟩}_2)$

对于参数α₁，β₁，α₂，和β₂的任意选择来说，纠缠态|ψ⁺>₁₂无法分解成量子比特α₁|0>₁+β₁|1>₁和α₂|0>₂+β₂|1>₂的乘积。

非纠缠的双量子比特系统的状态可如下所述与纠缠的双量子比特系统的状态区分开。考虑处于状态|ψ>₁₂中的非纠缠的双量子比特系统。假设在基{|0>，|1>}中在第一量子比特系统上进行的测量将第一量子比特系统的状态投影到状态|0>₁上。依据状态|ψ>₁₂，紧接着测量后的非纠缠的双量子比特系统的状态是状态的线性叠加

当紧接着第一测量之后在相同的坐标系中在基{|0>₂，|1>₂}中对第二量子比特系统进行第二测量时，将第二量子比特系统的状态投影到状态|0>₂上的概率为1/2以及将第二量子比特系统的状态投影到状态|1>₂上的概率为1/2。换句话说，第二量子比特系统的状态与第一量子比特系统的状态不相关。

与此相反，考虑处于纠缠态|ψ⁺>₁₂中的纠缠的双量子比特系统。假设在基{|0>₁，|1>₁}中在第一量子比特系统上进行的第一测量也将第一量子比特系统的状态投影到状态|0>₁上。依据纠缠态|ψ⁺>₁₂，该纠缠的双量子比特系统在第一测量之后的状态是乘积态|0>₁|1>₂。当在基{|0>₂，|1>₂}中对第二量子比特系统进行第二测量时，第二量子比特系统的状态肯定为|1>₂。换句话说，第一量子比特系统的状态|0>₁与第二量子比特系统的状态|1>₂相关。

纠缠的量子系统在从量子计算到量子信息处理的领域中具有许多不同的实际应用。特别地，极化纠缠光子可用于量子信息处理、量子密码术、远距传物和线性光学量子计算。术语“光子”指的是电磁场模式激发的单个量子。注意到，电磁波包括电场分量

和正交的磁场分量

然而，因为磁场分量B₀的幅度通过因子1/c小于电场分量E₀的幅度，其中c表示自由空间中的光速(c＝3.0*10⁸m/sec)，电场分量引起电磁波与物质的大部分交互。结果，电磁波的极化状态通常仅由电场分量表示。

图2A-2B分别示出了可用作极化纠缠光子的基态的垂直和水平极化的光子基态。在图2A-2B中，垂直和水平极化光子分别由沿着z坐标轴202和204传播的振荡连续波表示。如图2A所示，垂直极化光子|V>在yz平面中振荡。xy平面208中的方向箭头206表示在|V>沿着z坐标轴202前进通过一个完整的波长时的一个完整的振荡周期。在图2B中，水平极化光子|H>在xz平面中振荡。xy平面212中的方向箭头210表示在|H>沿着z坐标轴204前进通过一个完整的波长时的一个完整的振荡周期。

以下的Bell态是可用于许多不同的纠缠态应用中的极化纠缠光子的例子：

$|{\mathrm{\ψ}}^{-}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|V\⟩}_2-{|V\⟩}_1{|H\⟩}_2),$

$|{\mathrm{\ψ}}^{+}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|V\⟩}_2+{|V\⟩}_1{|H\⟩}_2),$

$|{\mathrm{\φ}}^{-}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|H\⟩}_2-{|V\⟩}_1{|V\⟩}_2),$ 以及

$|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_1{|H\⟩}_2+{|V\⟩}_1{|V\⟩}_2)$

其中

下标“1”表示第一传输通道；以及

下标“2”表示第二传输通道。

虽然极化纠缠光子具有许多潜在有用的应用，但实际上极化纠缠光子源通常不能在多种纠缠态应用中实施。例如，在Kwiat等人于Physical Review Letters，第75卷，4337(1995)中发表的“New High-Intensity Source of Polarization-Entangled Photo Pairs”一文中，Kwiat描述了可用于连续电磁波但不可用于电磁波脉冲的极化纠缠光子Bell态的高强度源。另外，仅仅沿特定方向发射的光子是纠缠的。结果，只可以产生有限数目的Bell态。在Kwiat等人于Physical Review A，第60卷，R773，(1999)中发表的“Ultrabright source of polarization-entangled photons”一文中，Kwiat还描述了一种极化纠缠光子对的源。然而，为了获得好的纠缠必须使用薄晶体和连续波泵浦。在Taehyun Kim等人于Physical Review A，第73卷，012316(2006)中发表的“Phase-stable source of polarization-entangled photons usinga polarization Sagnac interferometer”以及Fiorectino等人于Physical Review A，第69卷，041801(R)(2004)中发表的“Generation of ultrbright tunable polarizationentanglement without spatial，spectral，or temporal constraints”中，Kim和Fiorentino均描述了Bell态极化纠缠光子的过亮参量下转换(down conversion)源。然而，这些极化纠缠光子源不能用于微尺度应用中，生产成本高昂并且需要周期性的调整。物理学家、计算机科学家以及纠缠态的使用者已意识到需要能与连续波和脉冲泵浦源均兼容的以及可耦合到光纤耦合器以在微尺度装置中实施的极化纠缠光子源。

发明内容

本发明的各个实施例针对用于产生极化纠缠电子的紧凑系统。在本发明的一个实施例中，非简并(non-degenerate)极化纠缠光子源包括半波片，其接收来自泵浦束源(pump beam source)的泵浦束(pump beam)并输出处于第一极化状态的第一泵浦束和处于第二极化状态的第二泵浦束。第一束偏移器(displacer)基于第一和第二泵浦束的第一和第二极化状态将第一泵浦束引导至第一传输通道中，并将第二泵浦束引导至第二传输通道中。该纠缠光子源还可包括下转换装置，该下转换装置接收第一泵浦束，并在第一传输通道中输出第一信号光子和第一闲频(idler)光子，以及接收第二泵浦束并在第二传输通道中输出第二信号光子和第二闲频光子。可以包括第二束偏移器，以将在第一传输通道中传输的第一信号光子和第一闲频光子以及在第二传输通道中传输的第二信号光子和第二闲频光子引导至单个输出传输通道中。分色镜将第一和第二信号光子引导到第一光纤耦合器，并且将第一和第二闲频光子引导到第二光纤耦合器。

附图说明

图1示出了量子比特系统的布洛赫球表示。

图2A-2B示出了垂直和水平极化的光子基态。

图3A-3B示出了由半波片引起的极化状态改变。

图4示出了假定的束偏移器的透视图，其用于区分垂直和水平极化的电磁波。

图5示出了将泵浦束分成一对信号束和闲频束的双折射非线性晶体。

图6A-6B示出了类型Ⅰ下转换的两个例子。

图6C示出了类型Ⅱ下转换的例子。

图7A是信号束强度的曲线图。

图7B示出了假定的周期极化(poled)的下转换晶体。

图7C是由传播通过三个不同的非线性晶体的强泵浦(strong pump)产生的信号功率的曲线图。

图8示出了表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源的平面示意图。

图9示出了图8示出的表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括用于除去路径相关的相差的光学装置。

图10示出了图9示出的表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于闲频束传输通道中的半波片。

图11示出了图9示出的表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于信号束传输通道中的半波片。

图12示出了表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源的平面示意图。

图13示出了图12示出的表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括用于除去路径相关的相差的光学装置。

图14示出了图13示出的表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于闲频束传输通道中的半波片。

图15示出了图13示出的表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于信号束传输通道中的半波片。

图16示出了表示本发明实施例的第一简并极化纠缠光子源的示意性平面图。

图17示出了图16示出的表示本发明实施例的第一简并极化纠缠光子源的示意性平面图，其包括用于除去路径相关的相差的光学装置。

图18示出了图17示出的表示本发明实施例的第一简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于闲频束传输通道中的半波片。

图19示出了图17示出的表示本发明实施例的第一简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于信号束传输通道中的半波片。

图20示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源的示意性平面图。

图21示出了图20示出的表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括用于除去路径相关的相差的光学装置。

图22示出了图20示出的表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于闲频束传输通道中的半波片。

图23示出了图20示出的表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源的平面示意图，其包括位于信号束传输通道中的半波片。

具体实施方式

本发明的各个实施例针对用于产生极化纠缠电子的紧凑系统。特别地，本发明的某些系统实施例可用来产生处于Bell态的极化纠缠光子。为了帮助阅读者理解本发明的各个实施例的描述，在第一部分中提供了半波片、束偏移器、自发参量下转换以及周期极化(periodic poling)的综述。在第二部分中提供了本发明的各个系统实施例。

半波片、束偏移器、自发参量下转换以及周期极化

半波片(“HWP”)将入射的线性极化光子的极化旋转一角度，该角度是入射极化与半波片轴形成的角度的两倍。例如，其轴相对于水平方向形成45°角的HWP将入射的垂直极化光子旋转成水平极化光子，并将入射的水平极化光子旋转成垂直极化光子。图3A-3B分别示出了入射到这种HWP上的垂直和水平极化光子的极化状态的改变。在图3A中，垂直极化光子|V>302沿着z坐标轴304传播并撞击到HWP306的正面。当垂直极化光子|V>302穿过HWP306时，水平极化光子|H>308从HWP306的相对侧出现。在图3B中，水平极化光子|H>310沿着z坐标轴304传播至同一HWP306的正面。当水平极化光子|H>310穿过HWP306，垂直极化光子|V>312从HWP306的相对侧出现。

束偏移器(“BD”)是呈现两种不同折射率的双折射晶体。该晶体可以由碳酸钙(CaCO₃)、电气石、铌酸锂(LiNaO₃)和α-硼酸钡(α-BBO)组成。每个折射率取决于入射光子的极化状态和BD相对于入射光子的传播方向的取向。BD可用来区分水平和垂直极化的电磁波。图4示出了假定的BD402的透视图。以与x坐标轴404成45°极化的入射光子在沿着第一传输通道406的z方向上沿方向箭头408标识的方向传播至BD402。入射光子在数学上可由如下的垂直和水平极化状态的相干线性叠加来表示：

其中

|H>表示位于BD402的xz平面中的水平极化光子410；以及

|V>表示位于BD402的yz平面中的垂直极化光子412。

如图4所示，水平极化光子|H>410不偏转地通过BD402，并且继续沿着第一传输通道406传播，而垂直极化光子|V>412在BD402内偏转，并且出现在第二传输通道414上。BD还可用来组合垂直极化光子与水平极化光子，以便获得光子的相干线性叠加。例如，使水平极化光子|H>410和垂直极化光子|V>412的传播方向倒转产生沿方向箭头416标识的方向传播的45°极化光子|45°>。

在自发参量下转换(“SPDC”)中，双折射非线性晶体将称为“泵浦束”的电磁辐射的入射束分成一对射束，称为“信号束”和“闲频束”。图5示出了将泵浦束分成一对信号束和闲频束的双折射非线性晶体。在图5中，具有频率ω_p和波数k_p的泵浦束502入射到长度为L的非线性晶体504上。泵浦束在非线性晶体504中产生非线性极化。非线性极化波具有以频率ω_i振荡的第一分量和以频率ω_s振荡的第二分量。当将两个非线性极化波和初始泵浦波的相对相位相长(constructively)相加时，输出频率为ω_s和ω_i以及对应波数为k_s和k_i的极化电磁辐射束，分别称为“信号束”508和“闲频束”506。

术语“信号”和“闲频”没有特别的意义。因此，束标记的选择是任意的。在下转换过程中，非线性晶体的量子状态保持不变。换句话说，非线性晶体504的初始和最终量子力学状态是相同的。从非线性晶体504输出的不同的信号束和闲频束506和508是非线性和双折射的结果。换句话说，非线性晶体的折射率取决于入射电磁波的极化方向。

存在两种类型的下转换过程。当信号束和闲频束具有相同极化时发生类型Ⅰ下转换，并且当信号束和闲频束具有正交极化时发生类型Ⅱ下转换。图6A-6B示出了类型Ⅰ下转换的两个例子。在图6A中，第一类型Ⅰ下转换晶体(“DCC”)602接收垂直极化泵浦束|V>_p604，并且输出垂直极化信号光子|V>_s606和垂直极化闲频光子|V>_i 608。在图6B中，第二类型Ⅰ的DCC 610接收水平极化泵浦束|H>_p612，并且输出垂直极化信号光子|V>_s614和垂直极化闲频光子|V>_i616。图6C示出了类型Ⅱ下转换的例子。类型Ⅱ的DCC618接收垂直极化泵浦束|V>_p620，并且同时输出垂直极化信号光子|V>_s622和水平极化闲频光子|H>_i624。

可通过检查信号束和闲频束的强度来评估非线性晶体的效率。信号束和闲频束的强度可分别写成：

$I_s=I_s\left(\max \right){\left(\frac{\sin (\mathrm{\ΔkL}/2)}{\mathrm{\ΔkL}/2}\right)}^2,$ 以及

$I_i=I_i\left(\max \right){\left(\frac{\sin (\mathrm{\ΔkL}/2)}{\mathrm{\ΔkL}/2}\right)}^2,$

其中，I_s(max)和I_i(max)是从非线性晶体输出的信号束和闲频束的最大强度；

L是非线性晶体的长度；以及

Δk＝k_p-k_s-k_i称为“波矢，或冲量、失配(mismatch)”。

图7A是信号束强度I_s与ΔkL/2的曲线图。如7A所示，水平轴702与ΔkL/2值的范围相对应，垂直轴704对应于信号束强度，曲线706表示作为ΔkL/2的函数的信号束强度。曲线706示出当Δk等于0时的最大效率或强度。曲线706还示出随着|Δk|L增大，非线性晶体的效率将降低。因此，功率能从信号束和闲频束流回泵浦束中。当下转换过程中包括的电磁波相位匹配使得它们在前进方向上相长相加时，获得最大效率(Δk＝0)。注意到也可为闲频束绘制以等于0的波矢失配Δk为中心的类似形状的强度曲线I_i的曲线。

通常可通过小心控制与泵浦束、信号束和闲频束中每一个相关的折射率来获得相位匹配条件(Δk＝0)。通常，相位匹配是通过角度调节或温度调节实现的，这些是公知的相位匹配技术。然而，也有角度和温度调节技术不适于维持相位匹配条件的情况。例如，某些非线性晶体可能具有不足以补偿宽波长范围上的线性折射率色散(dispersion)的双折射率，以及对于其它非线性晶体来说，具有越来越短波长的电磁辐射将使与信号束相关的折射率接近闲频束的折射率。当无法实施正常相位匹配时可使用准相位匹配。

准相位匹配可用周期极化的下转换晶体完成。图7B示出了假定的周期极化下转换晶体710。下转换晶体710包括相同双折射材料的6个交替层711-716。层711、713和715的晶格均定向在相同方向上，如向下指的箭头(诸如向下指的箭头718)所示的。与此相反，层712、714和716的晶格均定向在层711、712和715的相反方向上，如向上指的箭头(诸如向上指的箭头720)所示。Λ表示交替层的周期。周期极化非线性晶体的方法是本领域公知的。

以下讨论将描述周期极化如何可以通过检查三个不同非线性晶体的性质如何改变信号功率来补偿非零波矢失配Δk。图7C是三个信号功率的曲线图，每个与传播通过不同的非线性晶体的信号相关。如图7C所示，水平轴722对应于非线性晶体内的传播距离，垂直轴724对应于在存在强泵浦场的情况下传播通过非线性晶体的信号场的功率。曲线726示出对于与单个非线性晶体的完美相位匹配交互(Δk＝0)来说，信号功率随着传播距离z线性增长。与此相反，曲线728也与单个非线性晶体相关，然而，由于非零波矢失配，场功率将发生振荡。结果，在非线性晶体的传播距离上的平均场功率为零。曲线730与周期极化的非线性晶体相关。曲线730示出通过利用准相位匹配，当作为波矢失配的结果信号功率将要减小时，将在周期Λ的末端出现逆转，其允许功率单调地(monotanically)增长。类似的考虑还可适用于闲频束。

周期极化的非线性晶体的波矢失配由下式给出：

$\mathrm{\Δ}{k}_Q=k_p-k_s-k_i\±\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}},$

以及最优周期是：

$\mathrm{\Λ}=\±\frac{2\mathrm{\π}}{k_p-k_s-k_i}.$

本发明的实施例

图8示出了表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源800的平面示意图。纠缠光子源800包括三个HWP802-804、两个BD806和808、类型ⅠDCC810、分色镜812、第一光纤耦合器814以及第二光纤耦合器816。诸如线820的线表示的是自由空间中的束传输通道。纠缠光子源800接收来自泵浦束源(未示出)的水平极化泵浦束|H_α>_p822。泵浦束|H_α>_p 822可以是连续电磁波或电磁波脉冲。分色镜812将标记“信号”的光子经由信号束传输通道830反射至第一光纤耦合器814，并将标记“闲频”的光子经由闲频束传输通道832传输至第二光纤耦合器816。注意到，术语“信号”和“闲频”是任意的标记，用来标识从类型ⅠDCC810输出的两种类型的极化光子。纠缠光子源800输出处于以下状态的极化纠缠光子：

$|\mathrm{\φ}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_s{|H\⟩}_i+e^{\mathrm{i\θ}}{|V\⟩}_s{|V\⟩}_i)$

其中

|H>_s和|V>_s分别表示水平和垂直极化的标记信号的光子，其在信号束传输通道830中被传输至第一光纤耦合器814；

|H>_i和|V>_i分别表示水平和垂直极化的标记闲频的光子，其在闲频束传输通道832中被传输至第二光纤耦合器816；以及

θ是BD808发出的水平和垂直极化光子之间的相对相差。

光纤耦合器814和816可连接至量子计算机、量子信息处理器、量子加密装置、量子远距传物装置或其它基于光的装置或网络。

以下讨论描述操作纠缠光子源800以产生处于状态|φ>中的极化纠缠光子。HWP802接收泵浦束|H_α>_p822并输出相对于纠缠光子源800的平面成45°极化的光子的泵浦束。45°极化的泵浦束光子在数学上可用如下的水平和垂直极化光子基态的相干线性叠加表示：

其中

|H>_p和|V>_p分别表示水平和垂直极化的泵浦束基态。

注意到，水平极化泵浦束|H>_p的极化方向与纠缠光子源800的平面相平行，并且垂直极化泵浦束|V>_p的极化方向与纠缠光子源800的平面相垂直。

BD 806接收泵浦束|45°>，并将垂直极化泵浦束|V>_p重新引导到第一传输通道824中，以及不干扰地将水平极化泵浦束|H>_p传输到第二传输通道826中。在由BD806表示垂直和水平极化光子后，极化泵浦束与传输通道相关。换句话说，光子的状态可以由状态的相干线性叠加表示：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{\⟩}_{2p}+\left|V{\⟩}_{1P}\right)$

其中

下标“1”标识第一传输通道824；以及

下标“2”标识第二传输通道826。

HWP803接收在第二传输通道826中传输的水平极化泵浦束|H>_2p并输出垂直极化泵浦束|V>_2p。在HWP803之后，极化泵浦束可由以下的状态的相干线性叠加表示：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|V{\⟩}_{1p}+\left|V{\⟩}_{2P}\right)$

类型ⅠDCC810是周期极化晶体，其将在第一传输通道824中传输的垂直极化光子|V>_1p转换成更长波长的垂直极化的信号光子和闲频光子，如下所示：

类型ⅠDCC810还将在第二传输通道826中传输的垂直极化光子|V>_2p转换成更长波长的垂直极化的信号光子和闲频光子，如下所示：

HWP 804接收在第一传输通道824中传输的垂直极化的信号光子和闲频光子|V>_1s|V>_1i，并且输出水平极化的信号光子和闲频光子|H>_1s|H>_1i。选择BD808的长度使得它通过不干扰地传输水平极化的信号光子和闲频光子|H>_1s|H>_1i以及重新引导垂直极化光子|V>_1s|V>_1i到单个输出传输通道828中来从极化的信号光子和闲频光子中除去路径依赖性。在输出传输通道828中传输的垂直和水平极化的信号和闲频光子的状态是|φ>。作为不同传输通道长度或类型ⅠDCC810和BD 806和808晶体的形状中的小瑕疵的结果，可获得相差θ。例如，第一传输通道824的路径长度可能比第二传输通道828的路径长度稍微长些。

分色镜812是双折射镜，其用来根据波长将非简并的信号光子和闲频光子分开。分色镜是半透明带通滤波器，其反射波长小于阈值波长λ_t的电磁波，并透射波长大于阈值波长的电磁波。例如，如图8所示，假定已指定“信号”标记来标识波长比标记“闲频”的光子短的光子，并且分色镜812制作成具有满足以下条件的阈值波长：

λ_s＜λ_t＜λ_i

分色镜812将处于极化状态|H>_s和|V>_s的信号光子反射至第一光纤耦合器814，并将处于极化状态|H>_i和|V>_i的闲频光子透射至第二光纤耦合器816。

在本发明的可替代实施例中，可通过在传输通道824或传输通道826中插入光学装置来调整在第一和第二传输通道824和826中传输的光子之间的相差θ。该光学装置可以是玻璃薄片，倾斜该玻璃薄片以在传播电磁波中引发延迟。图9示出了表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源900的平面示意图，其包括用于除去路径相关的相差θ的光学装置902。除了在传输通道826中插入的光学装置902之外，纠缠光子源900与图8示出的纠缠光子源800相同。可制作、调谐光学装置902以在第二传输通道826中引入相位调整，该调整在数学上可表示为：

$\widehat{\mathrm{\Φ}}=\exp \left[i(2\mathrm{\πn}-\mathrm{\θ})\right],$

其中

n＝0，±1/2，±1，±3/2，±2，......是制作光学装置902时可确定的相位调整参数。

传输通道826中的光学装置902的操作在数学上可表示为：

$|\mathrm{\φ}\⟩\stackrel{\widehat{\mathrm{\Φ}}}{\→}\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{\⟩}_s|H{\⟩}_i+e^{i(2\mathrm{\πn}-\mathrm{\θ})}{e}^{\mathrm{i\θ}}|V{\⟩}_s\left|V{\⟩}_i\right)$

$=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{\⟩}_s|H{\⟩}_i+e^{i2\mathrm{\πn}}|V{\⟩}_s\left|V{\⟩}_i\right)$

$=|{\mathrm{\φ}}^{\left(n\right)}\⟩$

当制作光学装置902使得n为整数值时，输出至光纤耦合器814和816的极化纠缠光子状态是Bell态：

$|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_s{|H\⟩}_i+{|V\⟩}_s{|V\⟩}_i).$

当制作光学装置902使得n为半整数值时，输出至光纤耦合器814和816的极化纠缠光子状态是Bell态：

$|{\mathrm{\φ}}^{-}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_s{|H\⟩}_i-{|V\⟩}_s{|V\⟩}_i)$

在本发明的可替代实施例中，可通过在纠缠光子源900的闲频束传输通道832中插入HWP来产生极化纠缠光子Bell态|ψ⁺>和|ψ^->。图10示出了表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源1000的平面示意图，它包括在如图9所示的纠缠光子源900的闲频束传输通道832中的HWP1002。当制作光学装置902使得n为整数值时，HWP1002对处于Bell态|φ⁺>中的闲频光子进行操作以给出处于Bell态的极化纠缠光子：

$|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩\stackrel{\mathrm{HWP}}{\→}|{\mathrm{\ψ}}^{+}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_s{|V\⟩}_i+{|V\⟩}_s{|H\⟩}_i).$

当制作光学装置902使得n为半整数值时，HWP1002对处于Bell态|φ^->中的闲频光子进行操作以给出处于Bell态的极化纠缠光子：

$|{\mathrm{\φ}}^{-}\⟩\stackrel{\mathrm{HWP}}{\→}|{\mathrm{\ψ}}^{-}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_s{|V\⟩}_i-{|V\⟩}_s{|H\⟩}_i).$

在本发明的可替代实施例中，也可通过在纠缠光子源900的信号束传输通道830中插入HWP来产生纠缠光子极化状态|ψ⁺>和|ψ^->。图11示出了表示本发明实施例的第一非简并极化纠缠光子源1100的平面示意图，它包括找如图9所示的纠缠光子源900的信号束传输通道830中的HWP1202。当制作光学装置902使得n为整数值时，HWP1002对处于Bell态|φ⁺>中的信号光子进行操作以给出处于Bell态的极化纠缠光子：

$|{\mathrm{\φ}}^{+}\⟩\stackrel{\mathrm{HWP}}{\→}|{\mathrm{\ψ}}^{+}\⟩.$

当制作光学装置902使得n为半整数值时，HWP1002操作处于Bell态|φ^->中的信号光子：

$|{\mathrm{\φ}}^{-}\⟩\stackrel{\mathrm{HWP}}{\→}\frac{1}{\sqrt{2}}({|V\⟩}_s{|H\⟩}_i-{|H\⟩}_s{|V\⟩}_i)=-|{\mathrm{\ψ}}^{-}\⟩.$

图12示出了表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源1200的平面示意图。纠缠光子源1200包括HWP1202、两个BD1204和1206、第一类型ⅠDCC1208、第二类型ⅠDCC1210、分色镜1212、第一光纤耦合器1214、以及第二光纤耦合器1216。诸如线1218的线表示束传输通道。如以上参看图8所述的，纠缠光子源1200接收来自泵浦束源(未示出)的水平极化泵浦束|H_α>_p1222，并且输出处于状态|φ>中的极化纠缠光子。分色镜1212将较短波长的标记“信号”的光子经由信号束传输通道1230反射至第一光纤耦合器1214，并且将较长波长的标记“闲频”的光子经由闲频束传输通道1232透射至第二光纤耦合器1216。光纤耦合器1214和1216可连接至量子计算机、量子信息处理器、量子加密装置、量子远距传物装置或其它基于光的装置或网络。

如以上参看图8所述的，HWP1202接收泵浦束|H_α>_p1222，并输出处于极化状态|45°>的泵浦束。BD1204接收处于极化状态|45°>的泵浦束，并将垂直极化泵浦束|V>_p沿着第一传输通道1224输出，以及沿着第二传输通道1226不干扰地输出水平极化泵浦束|H>_p。极化泵浦的状态可由如下所示的状态的传输路径相关的相干线性叠加表示：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{\⟩}_{2P}+\left|V{\⟩}_{1P}\right)$

其中

下标“1”标识第一传输通道1224；以及

下标“2”标识第二传输通道1226。

第一类型ⅠDCC1208和第二类型ⅠDCC1210是分别具有平行的传输通道1224和1226的相同的周期极化晶体。然而，第二类型ⅠDCC1210从第一类型ⅠDCC1208的取向围绕第二传输通道1226旋转了90°。定向第一类型ⅠDCC1208使得沿着第一传输通道1224传输的入射的垂直极化光子|V>_1p被转换成水平极化的信号光子和闲频光子，如下所示：

定向第二类型ⅠDCC1210使得沿着第二传输通道1226传输的入射的水平极化光子|H>_2p被转换成垂直极化的信号光子和闲频光子，如下所示：

BD1206通过不干扰地传输水平极化的信号光子和闲频光子|H>_1s|H>_1i以及引导垂直极化光子|V>_1s|V>_1i至单个传输通道1228中来从类型ⅠDDC1208和1210输出的极化的信号光子和闲频光子中除去路径依赖性。在单个输出传输通道1228中传输的垂直和水平极化的信号光子和闲频光子的状态是|φ>。

分色镜1212根据波长将非简并的信号光子和闲频光子分开，如以上参看图8所述的。如图12所示，分色镜812将信号光子反射至第一光纤耦合器1214以及将闲频光子透射至第二光纤耦合器1216。

在本发明的可替代实施例中，可通过在传输通道1224或传输通道1226中插入光学装置来调整BD1206发出的水平和垂直极化光子之间的相差θ，如以上参看图9所述的。图13示出了表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源1300的平面示意图，其包括用来除去路径相关的相差θ的光学装置1302。除了在传输通道1226中插入的光学装置1302之外，纠缠光子源1300与图12示出的纠缠光子源1200相同。可制作、或调谐光学装置1302来引入相位调整，使得输出传输通道1228中的极化纠缠光子处于|φ⁽ⁿ⁾>状态，如以上参看图9所述的。当制作光学装置1302使得n为整数值时，极化纠缠光子处于Bell态|φ⁺>，以及当制作光学装置1302使得n为半整数值时，极化纠缠光子处于Bell态|φ^->。

在本发明的可替代实施例中，可通过在纠缠光子源1300的闲频束传输通道1232中插入HWP来产生处于Bell态|ψ⁺>|ψ^->的极化纠缠光子。图14示出了表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源1400的平面示意图，它包括在如图13示出的纠缠光子源1300的闲频束传输通道1332中的HWP1402。当制作光学装置1302使得n为整数值时，HWP1402对处于Bell态|φ⁺>的闲频束光子进行操作以产生处于处于Bell态|ψ⁺>的极化纠缠光子，以及当制作光学装置1302使得n为半整数值时，HWP1402对处于Bell态|φ^->的闲频束光子进行操作以产生处于Bell态|ψ^->的极化纠缠光子。

在本发明的可替代实施例中，还可通过在纠缠光子源1300的信号束传输通道1230中插入HWP来产生纠缠光子极化状态|ψ⁺>|ψ^->。图15示出了表示本发明实施例的第二非简并极化纠缠光子源1500的平面示意图，它包括在如图13示出的纠缠光子源1300的信号束传输通道1230中的HWP1502。当制作光学装置1302使得n为整数值时，HWP1502对处于Bell态|φ⁺>的闲频束光子进行操作以产生处于Bell态|ψ⁺>的极化纠缠光子，以及当制作光学装置1302使得n为半整数值时，HWP1502对处于Bell态|φ^->的闲频束光子进行操作以产生处于Bell态-|ψ^->的极化纠缠光子。

图16示出了表示本发明实施例的第一简并极化纠缠光子源1600的示意性平面图。纠缠光子源1600包括五个HWP1601-1605、三个BD1606-1608、类型ⅡDCC 1610、第一光纤耦合器1612、第二光纤耦合器1614和镜子(mirror)1618。诸如线1620的线表示自由空间中的束传输通道。如以上参看图8所述的，纠缠光子源1600接收来自泵浦束源(未示出)的水平极化泵浦束|H_α>_p1622，并且输出处于状态|φ>中的极化纠缠光子至光纤耦合器1612和1614。光纤耦合器1612和1614可连接至量子计算机、量子信息处理器、量子加密装置、量子远距传物装置或其它基于光的装置或网络。

如以上参看图8所述的，HWP1601接收泵浦束|H_α>_p1622，并输出45°极化的泵浦束|45°>。BD1606接收极化泵浦束|45°>，并输出由状态的相干线性叠加表示的水平和垂直极化光子，如下所示：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{\⟩}_{2P}+\left|V{\⟩}_{1P}\right)$

其中

下标“1”标识第一传输通道1624；以及

下标“2”标识第二传输通道1626。

HWP 1602接收沿着第一传输通道1624传输的垂直极化泵浦束|V>_1p并输出水平极化泵浦束|H>_1p，以获得处于如下所示的状态的相干线性叠加的极化泵浦束：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{\⟩}_{1P}+\left|V{\⟩}_{2P}\right)$

类型ⅡDCC1610是周期极化晶体，其将水平极化泵浦束|H>_1p和|H>_2p转换成如下所示的更长波长的水平极化信号光子和垂直极化闲频光子：

以及

类型ⅡDCC1610产生简并、或相同波长的信号光子和闲频光子。

HWP1603接收处于状态|H>_2s|V>_2i的水平和垂直极化的信号光子和闲频光子，并输出处于状态|V>_2s|H>_2i的垂直极化信号光子和水平极化闲频光子。

BD 1607分别在传输通道1624和1626中不干扰地传输水平极化的信号和闲频光子|H>_1s和|H>_2i。然而，BD1607将垂直极化信号光子|V>_2s从第二传输通道1626重新引导至状态|V>_1s表示的第一传输通道1624中，并将垂直极化闲频光子|V>_1i从第一传输通道1624重新引导至状态|V>_3i表示的第三传输通道1628中。

镜子1618将在传输通道1624中传输的水平和垂直极化的信号光子|H>_1i和|V>_1s经由信号束传输通道1630重新引导至第一光纤耦合器1612。

HWP1604将水平极化闲频光子|H>_2i的极化状态改变为垂直极化闲频光子|V>_2i，并且HWP1605将垂直极化闲频光子|V>_3i的极化状态改变为水平极化闲频光子|H>_3i。BD1608在第三传输通道1628中不干扰地传输水平极化闲频光子|H>_3i，并将垂直极化闲频光子|V>_2i重新引导至闲频束传输通道1632。水平极化闲频光子|H>_3i和垂直极化闲频光子|V>_2i经由闲频束传输通道1632被传输至第二光纤耦合器1614。

因为垂直和水平极化信号光子均在信号束传输通道1630中传输，以及垂直和水平极化闲频光子均在闲频束传输通道1632中传输，因此，可以省去标识传输通道的数字下标，并且在到达光纤耦合器1612和1614之前的纠缠的垂直和水平极化的信号光子和闲频光子的状态可表示为：

$|\mathrm{\φ}\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}({|H\⟩}_s{|H\⟩}_i-e^{\mathrm{i\θ}}{|V\⟩}_s{|V\⟩}_i)$

其中

|H>_s和|V>_s沿着信号束传输通道1630传输至第一光纤耦合器1612；

|H>_i和|V>_i沿着闲频束传输通道1632传输至第二光纤耦合器1614；以及

θ是路径相关的相对相差。

相差θ可以如参看图8所述地获得。

在本发明的可替代实施例中，可通过在其中一个传输通道中插入光学装置来调整相差θ。图17示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源1700的示意性平面图，它包括用于除去路径相关的相差θ的光学装置1702。纠缠光子源1700与图16示出的纠缠光子源1600相同，除了在第一传输通道1624中插入的光学装置1702之外。可以制作、或调谐光学装置1702以在第一传输通道1624中引入相位调整，如上面参看图9所述的。结果，输出至光纤耦合器1612和1614的极化纠缠光子态是|φ⁽ⁿ⁾>。当制作光学装置1702使得相位调整参数n是整数值时，输出至光纤耦合器1612和1614的极化纠缠光子处于Bell态|φ⁺>，并且当制作光学装置1702使得相位调整参数n是半整数值时，输出至光纤耦合器1612和1614的极化纠缠光子处于Bell态|φ^->。

在本发明的可替代实施例中，可通过在纠缠光子源1700的闲频束传输通道1632中插入HWP来产生极化纠缠光子Bell态|ψ⁺>和|ψ^->。图18示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源1800的示意性平面图，它包括在图17示出的纠缠光子源1700的闲频束传输通道1632中的HWP1802。当制作光学装置1702使得n为整数值时，HWP1802对处于Bell态|φ⁺>的闲频束光子进行操作以产生处于Bell态|ψ⁺>的极化纠缠光子，以及当制作光学装置1702使得n为半整数值时，HWP1802对处于Bell态|φ^->的闲频束光子进行操作以产生处于Bell态|ψ^->的极化纠缠光子。

在本发明的可替代实施例中，还可通过在纠缠光子源1700的信号束输出传输通道中插入HWP来产生纠缠光子极化状态|ψ⁺>和|ψ^->。图19示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源1900的示意性平面图，它包括在图17示出的纠缠光子源1700的信号束传输通道1630中的HWP1902。当制作光学装置1702使得n为整数值时，HWP1902对处于Bell态|φ⁺>的信号束光子进行操作以产生处于Bell态|ψ⁺>的极化纠缠光子，以及当制作光学装置1702使得n为半整数值时，HWP1902对Bell态|φ^->的信号束光子进行操作以产生处于Bell态-|ψ^->的极化纠缠光子。

图20示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源2000的示意性平面图。纠缠光子源2000包括三个HWP2001-2003、三个BD2004-2006、第一类型ⅡDCC2008、第二类型ⅡDCC2010、第一光纤耦合器2012、第二光纤耦合器2014以及镜子2016。诸如线2020的线表示自由空间中的束传输通道。纠缠光子源2000接收来自泵浦束源(未示出)的水平极化泵浦束|H_α>_p2022并输出处于状态|φ>的极化纠缠光子至光纤耦合器2012和2014。泵浦束|H_α>_p 2022可以是连续的电磁波或电磁波脉冲。光纤耦合器2012和2014可以连接至量子计算机、量子信息处理器、量子加密装置、量子远距传物装置或其它基于光学的装置或网络。

HWP2001接收泵浦束|H_α>_p2022并输出45°极化的泵浦束|45°>，如参看图8所述的。BD2004接收极化泵浦束|45°>，并输出由以下所示的状态的相干线性叠加表示的路径相关的垂直和水平极化泵浦束：

$\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{\⟩}_{2P}+\left|V{\⟩}_{1P}\right)$

其中

下标“1”标识第一传输通道2024；以及

下标“2”标识第二传输通道2026。

垂直极化泵浦束|V>_1p被传输至第一类型ⅡDCC2008，并且水平极化泵浦束|H>_2p被传输至第二类型ⅡDCC2010。第一类型ⅡDCC2008和第二类型ⅡDCC2010是分别具有平行的传输通道2024和2026的相同的周期极化晶体。然而，第二类型ⅡDCC2010从第一类型ⅡDCC2008的取向围绕第二传输通道2026旋转了90°。定向第一类型ⅡDCC2008使得入射的垂直极化泵浦束|V>_1p被转换成如下所示的水平极化信号光子和垂直极化闲频光子：

定向第二类型ⅡDCC2010使得入射的水平极化泵浦束|H>_2p被转换成如下所示的垂直极化信号光子和水平极化闲频光子：

第一和第二类型ⅡDCC2008和2010均产生具有简并的或相同的波长的信号光子和闲频光子。

BD2005分别沿着传输通道2024和2026不干扰地传输水平极化的信号光子和闲频光子|H>_1s和|H>_2i。BD2005将垂直极化信号光子|V>_2s从第二传输通道2026重新引导至状态|V>_1s表示的第一传输通道2024中，并且将垂直极化闲频光子|V>_1i从第一传输通道2024重新引导至状态|V>_3i表示的第三传输通道2028中。

镜子2018将沿着第一传输通道2024传输的水平和垂直极化的信号光子|H>_1s和|V>_1s经由信号束传输通道2030重新引导到第一光纤耦合器2012。

HWP2002将水平极化闲频光子|H>_2i的极化状态改变为垂直极化闲频光子|V>_2i，并且HWP2003将垂直极化闲频光子|V>_3i的极化状态改变为水平极化闲频光子|H>_3i。BD2006在第三传输通道2028中不干扰地传输水平极化闲频光子|H>_3i，并且将垂直极化闲频光子|V>_2i重新引导至闲频束传输通道1632。水平极化闲频光子|H>_3i和垂直极化闲频光子|V>_2i经由闲频束传输通道2032被传输至第二光纤耦合器2014。

因为垂直和水平极化信号光子均在信号束传输通道2030中传输，并且垂直和水平极化闲频光子均在闲频传输通道2032中传输，因此可省去标识传输通道的数字下标，并且在到达光纤耦合器1612和1614之前垂直和水平极化的信号光子和闲频光子的状态是状态|φ>。包括在状态|φ>中的相差θ可如上面参看图8所述地获得。

在本发明的可替代实施例中，可通过在其中一个传输通道中插入光学装置来调整相差θ。图21示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源2100的示意性平面图，它包括用于除去路径相关的相差θ的光学装置2102。纠缠光子源2100与图16示出的纠缠光子源2000相同，除了在第一传输通道2024中插入的光学装置2102之外。如参见图9描述的，输出至光纤耦合器1612和1614的极化纠缠光子态是|φ⁽ⁿ⁾>。当制作光学装置2102使得相位调整参数n是整数值时，输出至光纤耦合器2012和2014的极化纠缠光子处于Bell态|φ⁺>，并且当制作光学装置2102使得相位调整参数n是半整数值时，输出至光纤耦合器2012和2014的极化纠缠光子处于Bell态|φ^->。

在本发明的可替代实施例中，可通过在纠缠光子源2100的闲频束传输通道2032中插入HWP来产生纠缠光子极化Bell态|ψ⁺>和|ψ^->。图22示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源2200的示意性平面图，它包括在图21示出的纠缠光子源2100的闲频束传输通道2028中的HWP2202。当制作光学装置2102使得n为整数值时，HWP2202对处于Bell态|φ⁺>的闲频光子进行操作以产生处于Bell态|ψ⁺>的极化纠缠光子，以及当制作光学装置2102使得n为半整数值时，HWP2202产生处于Bell态|ψ^->的极化纠缠光子。

在本发明的可替代实施例中，还可通过在纠缠光子源2100的信号束输出传输通道2030中插入HWP来产生纠缠光子极化状态|ψ⁺>和|ψ^->。图23示出了表示本发明实施例的第二简并极化纠缠光子源2300的示意性平面图，它包括在图21示出的纠缠光子源2100的信号束传输通道2030中的HWP2302。当制作光学装置2102使得n为整数值时，HWP2302对处于Bell态|φ⁺>的信号光子进行操作以产生处于Bell态|ψ⁺>的极化纠缠光子，以及当制作光学装置2102使得n为半整数值时，HWP2302产生处于Bell态-|ψ^->的极化纠缠光子。

虽然已经根据特定实施例描述了本发明，但本发明并不打算受限于这些实施例。在本发明的精神内的修改对于本领域技术人员是显而易见的。例如，在本发明的可替代实施例中，还可通过倾斜BD或下转换晶体来校正相差θ。在本发明的可替代实施例中，可使用化学上不同的类型Ⅰ和类型ⅡDCC。例如，在本发明的可替代实施例中，图8示出的纠缠光子源800的类型ⅠDCC可以是周期极化的铌酸锂-氧化镁晶体，其极化周期为大约7.73μm。可用泵浦束源(未示出)来产生波长为大约532nm的水平极化泵浦束|H_α>_p。纠缠光子源800输出波长为810nm和1550nm的非简并信号光子和闲频光子。在本发明的可替代实施例中，图16示出的纠缠光子源1600的类型ⅡDCC1610可以是周期极化的铌酸锂(“LiNbO₃”)晶体，该晶体掺有氧化镁(“MgO”)并且具有大约19.48nm的极化周期。从泵浦束源(未示出)输入波长大约为780nm的水平极化泵浦束|H_α>_p至纠缠光子源1600产生波长均为大约1560nm的简并信号光子和闲频光子。在本发明的可替代实施例中，图16所示的纠缠光子源1600的类型ⅡDCC1610可以是周期极化的磷酸氧钛钾(“PPKTP”)晶体，其极化周期为大约7.85μm。从泵浦束源(未示出)输入波长为大约380nm的水平极化泵浦束|H_α>_p，纠缠光子源1600产生波长均为大约780nm的简并信号光子和闲频光子。在本发明的可替代实施例中，图16所示的纠缠光子源1600的类型ⅡDCC1610可以是极化周期为大约60nm的PPKTP晶体。从泵浦束源(未示出)输入波长大约为655nm的水平极化泵浦束|H_α>_p至纠缠光子源1600产生波长均为大约1310nm的简并信号光子和闲频光子。在本发明的可替代实施例中，可以制作上述HWP802、1202、1601和2001使得水平极化泵浦束和垂直极化泵浦束处于相干线性叠加状态：

α|H>_p+β|V>_p

其中

α和β是满足以下条件的复值幅度：

|α|²+|β|²＝1

结果，在到达纠缠光子源800、1200、1600和2000中的第一和第二光纤耦合器之前，垂直和水平纠缠极化信号光子和闲频光子的状态可表示为：

|φ>＝α|H>_s|H>_i+βe^iθ|V>_s|V>_i。

出于解释的目的，上文使用了特定的术语以提供对本发明的彻底描述。然而，对本领域技术人员显而易见的是实施本发明不需要具体细节。以上对本发明具体实施例的描述意在阐述和描述。它们不打算是穷尽的或将本发明限制在公开的精确形式。显然，根据上述教导可以做出许多修改和变化。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用示出和陈述了这些实施例，由此使得本领域技术人员能够最好地利用本发明以及适合预期的特定用途的具有各种修改的各种实施例。本发明的范围意欲由以下权利要求书及其等价物限定。

Claims (10)

1.一种非简并极化纠缠光子源(800、1200)，包括：

第一半波片(802、1202)，所述第一半波片接收来自泵浦束源的泵浦束(822、1222)并输出处于第一极化状态的第一泵浦束和处于第二极化状态的第二泵浦束；

第一束偏移器(806、1204)，所述第一束偏移器基于所述第一泵浦束和第二泵浦束的第一和第二极化状态将第一泵浦束引导至第一传输通道(824、1224)中并将所述第二泵浦束引导至第二传输通道(826、1226)中；

下转换装置(803、804、810、1208、1210)，所述下转换装置接收所述第一泵浦束并在所述第一传输通道中输出第一信号光子和第一闲频光子，以及接收所述第二泵浦束并在所述第二传输通道中输出第二信号光子和第二闲频光子；

第二束偏移器(808、1206)，所述第二束偏移器将在所述第一传输通道中传输的第一信号光子和第一闲频光子以及在所述第二传输通道中传输的第二信号光子和第二闲频光子引导至单个输出传输通道中；以及

分色镜(812、1212)，所述分色镜接收在所述输出传输通道中传输的所述信号光子和闲频光子，并且将第一和第二信号光子引导至第一光纤耦合器(814、1214)并将第一和第二闲频光子引导至第二光纤耦合器(816、1216)。

2.权利要求1的纠缠光子源，其中下转换装置还包括：

第二半波片(803)，所述第二半波片接收处于第二极化状态的第二泵浦束并输出处于第一极化状态的第二泵浦束；

类型Ⅰ下转换晶体(810)，所述类型Ⅰ下转换晶体接收第一泵浦束并输出均处于第一极化状态的第一信号光子和第一闲频光子，以及接收第二泵浦束并输出均处于第一极化状态的第二信号光子和第二闲频光子；以及

第三半波片(804)，所述第三半波片接收均处于第一极化状态的第一信号光子和第一闲频光子并输出均处于第二极化状态的第一信号光子和第一闲频光子。

3.权利要求1的纠缠光子源，其中下转换装置还包括：

第一类型Ⅰ下转换晶体(1208)，其接收第一泵浦束并输出均处于第二极化状态的第一信号光子和第一闲频光子；以及

第二类型Ⅰ下转换晶体(1210)，其接收第二泵浦束并输出均处于第一极化状态的第二信号光子和第二闲频光子。

4.权利要求3的纠缠光子源，其中穿过第一类型Ⅰ下转换晶体(1208)的第一传输通道和穿过第二类型Ⅰ下转换晶体(1210)的第二传输通道是平行的，以及第二类型Ⅰ下转换晶体相对于第一类型Ⅰ下转换晶体的取向围绕第二传输通道旋转了90°。

5.权利要求1的纠缠光子源，还包括：

光学装置(902、1302)，所述光学装置位于第一或第二传输通道中，用来调整获得的通道相关的相差；以及以下中的一个：

位于分色镜和光纤耦合器之间的半波片(1102、1502)，用于改变第一信号光子和第二信号光子的极化状态；或

位于分色镜和第二光纤耦合器之间的半波片(1002、1402)，用于改变第一闲频光子和第二闲频光子的极化状态。

6.一种简并的极化纠缠光子源(1600、2000)，包括：

第一半波片(1601、2001)，所述第一半波片接收来自泵浦束源的泵浦束并输出处于第一极化状态的第一泵浦束和处于第二极化状态的第二泵浦束；

第一束偏移器(1606、2004)，所述第一束偏移器基于第一和第二泵浦束的第一和第二极化状态将第一泵浦束引导至第一传输通道中并将第二泵浦束引导至第二传输通道中；

下转换装置(1602、1610、1603、2008、2010)，所述下转换装置接收第一泵浦束并在第一传输通道中输出第一信号光子和第一闲频光子，以及接收第二泵浦束并在第二传输通道中输出第二信号光子和第二闲频光子；

第二束偏移器(1607、2005)，所述第二束偏移器将第一和第二信号光子引导至第一传输通道，将第一闲频光子引导至第三传输通道以及在第二传输通道中传输第二闲频光子；以及

镜子(1618、2016)，所述镜子将第一和第二信号光子引导至第一光纤耦合器；以及

第三束偏移器(1608、2006)，所述第三束偏移器将第一和第二闲频光子引导至第二光纤耦合器。

7.权利要求6的纠缠光子源，其中下转换装置还包括：

第二半波片(1602)，所述第二半波片接收处于第二极化状态的第二泵浦束并输出处于第一极化状态的第二泵浦束；

类型Ⅱ下转换晶体(1610)，所述类型Ⅱ下转换晶体接收第一泵浦束并输出具有第二极化的第一信号光子和具有第一极化的第一闲频光子，以及接收第二泵浦束并输出具有第二极化的第二信号光子和具有第一极化的第二闲频光子；以及

第三半波片(1603)，所述第三半波片接收第二信号光子和第二闲频光子并输出具有第一极化的第二信号光子以及具有第二极化的第二闲频光子。

8.权利要求6的纠缠光子源，还包括：

第四半波片(1605)，其位于第二束偏移器和第三束偏移器之间，用于接收第一闲频光子并输出处于第二极化状态的第一闲频光子；以及

第五半波片(1604)，其位于第二束偏移器和第三束偏移器之间，用于接收第二闲频光子并输出处于第一极化状态的第二闲频光子。

9.权利要求6的纠缠光子源，其中下转换装置还包括：

第一类型Ⅱ下转换晶体(2008)，其接收第一泵浦束并输出均处于第二极化状态的第一信号光子和第一闲频光子；以及

第二类型Ⅱ下转换晶体(2010)，其接收第二泵浦束并输出均处于第一极化状态的第二信号光子和第二闲频光子，其中穿过第一类型Ⅱ下转换晶体的第一传输通道和穿过第二类型Ⅱ下转换晶体的第二传输通道是平行的，以及第二类型Ⅱ下转换晶体相对于第一类型Ⅱ下转换晶体的取向围绕第二传输通道旋转了90°。

10.权利要求6的纠缠光子源，还包括：

光学装置(1702、2102)，其位于第二传输通道中，用来调整获得的通道相关的相差；以及以下中的一个：

位于镜子和第一光纤耦合器之间的半波片(1902、2302)，用于改变信号光子的极化；或

位于第三束偏移器和第二光纤耦合器之间的半波片(1632、2202)，用于改变闲频光子的极化。

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