CN102354074B - 双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置，其特征在于，由单频连续波激光器(1)、光隔离器(2)、双向抽运的非线性光学谐振器(3)、种子光注入系统(4)、腔长和相位锁定系统(5)和双色纠缠光平衡零拍测量系统(6)组成。本发明将光学参量振荡器和光学参量放大器两种量子光学器件巧妙结合，结构紧凑、稳定性好，可以用来产生和探测具有高纠缠度和高平衡正交分量关联的双色可调谐连续变量纠缠态光场。
Description
技术领域
本发明涉及连续变量量子光学和量子信息领域，具体是一种双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测的装置。
背景技术
双色可调谐连续变量纠缠态光源是量子信息领域重要的核心资源之一。对于未来的量子信息网络，量子信息需要在不同的节点之间进行高保真度的转移，量子离物传态是实现该功能的强有力的有效手段。在现实环境中，各个节点通常由不同的物理体系构成，并具有不同的光学特征频率。为了在具有不同光学特征频率的各个节点之间实现高保真度的量子离物传态，就必须要具备具有高纠缠度和不同频率的双色连续变量纠缠态光场。同时在连续变量量子信息处理中，具有平衡正交分量关联的纠缠态光场至关重要。例如，它可以提高量子密钥分发的安全性；对于量子离物传态，由于非理想因素导致的误差将平衡地分布于量子离物传送量子态的各个正交分量上。
基于谐振腔的二阶非线性光学过程是目前获得双色连续变量纠缠态的最有效方案。文献“Generation of bright two-color continuous variable entanglement，Phys.Rev.Lett.95，243603(2005)”报道了利用阈值以上频率非简并光学参量振荡器制备双色连续变量纠缠态的实验，纠缠态的正交分量关联度的测量采用两个失谐分析腔的方法。该实验方案存在两个缺点：第一，由于非线性晶体内部热声子的散射以及光学参量振荡器不可能稳定运转于阈值处，使得产生的纠缠态的两个正交分量的量子关联不平衡，正交位相分量的量子关联度远小于正交振幅分量的量子关联度。第二，由于光学参量振荡器需要运转于阈值附近，导致光学参量振荡器的稳定性很差，限制了其实际应用。文献“Narrow-band frequency tunable light source of continuous quadrature entanglement，Phys.Rev.A 66，033802(2002)”报道了利用频率近简并的光学参量放大器获得了频率差别740MHz的双色连续变量纠缠态。由于该方案的注入种子光和用于平衡零拍测量的本地光均通过电光调制基频抽运激光得到，使得信号光和闲置光的波长差最大只能局限于0.1纳米量级，大大限制了其调谐范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、稳定性好、高品质双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测的装置，该装置可以制备和探测具有高纠缠度和高平衡正交分量关联的双色高可调谐性连续变量纠缠态光场。
本发明提供的一种双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置，其特征在于由单频连续波激光器、光隔离器、双向抽运的非线性光学谐振器、种子光注入系统、腔长和相位锁定系统和双色纠缠光平衡零拍测量系统组成；
所述的双向抽运的非线性光学谐振器由双向抽运装置、环形腔和非线性介质构成，其中：所述的双向抽运装置能够调节正向和反向抽运激光的功率，使得非线性光学谐振器的一个方向运转于阈值以上构成光学参量振荡器，另一个方向运转于阈值以下构成光学参量放大器，所述的环形腔由至少三个反射镜构成且处于稳定区域，所述的非线性介质的两个端面的法线和入射光线夹角为10度以下，或者两个端面切割成楔形，楔形的角度为10度以下；
所述的种子光注入系统由分光器、可变双色衰减器、全反射平面镜构成，分光器将双向抽运的非线性光学谐振器输出的明亮信号和闲置光分出一部分，进入可变双色衰减器，接着被全反射平面镜沿原光路反射回双向抽运的非线性光学谐振器。
所述的可变双色衰减器由双色镜和中性衰减片构成，可以实现对两种不同波长激光功率的不同比例衰减。
所述的非线性介质的两个端面的法线和入射光线的夹角角度优选为2-4度，或者非线性介质的两个端面切割成楔形，楔形的角度优选为2-4度。
上述单频连续波激光器用来提供双向抽运的非线性光学谐振器的抽运光源；光隔离器置于单频连续波激光器之后，用来防止光学反馈对单频连续波激光器稳定运转的干扰；双向抽运的非线性光学谐振器用来产生具有高纠缠度和高平衡正交分量关联的双色可调谐连续变量纠缠态光场以及用于平衡零拍测量的本地光场；种子光注入系统用来精确提供双向抽运的非线性光学谐振器系统中的光学参量放大器所需的注入种子光；腔长和相位锁定系统用来实现双向抽运的非线性光学谐振器系统中腔长以及注入种子光和抽运光相位的高精度锁定；双色纠缠光平衡零拍测量系统用来实现由双向抽运的非线性光学谐振器制备的双色连续变量可调谐纠缠态光场的量子测量。
与现有技术相比，本发明的优点和效果：
本发明巧妙地将光学参量振荡器和光学参量放大器两种量子光学器件相结合，采用由双向抽运的环形非线性谐振器，其中一个方向运转于阈值以上构成光学参量振荡器，另一个方向运转于阈值以下构成光学参量放大器。置于非线性谐振器内部的非线性晶体采用小角度倾斜放置或者两个端面切割成楔形的方式，以消除非线性晶体端面剩余反射导致的正反向光场之间的相互耦合对纠缠源稳定运转及纠缠态制备的不利影响。
由于光学参量放大器和光学参量振荡器共用一个谐振腔，因此两者的下转换输出场具相同的频率。光学参量振荡器输出的信号光和闲置光的大部分用作平衡零拍测量的本地光；其 中的一小部分，用作反方向的光学参量放大器的注入场。利用双色可调谐衰减器控制注入场中信号场和闲置场的功率比，可获得不同类型的光学参量放大过程，进而实现不同类型纠缠态光场的制备和测量。例如，当调节信号场和闲置场的功率使得两者的光子数完全一致时，进一步控制注入场和抽运场之间的相对相位，就可实现相位敏感的光学参量过程：当相对相位为零时，注入场被参量放大，可实现正交振幅正关联，正交位相反关联的双色连续变量纠缠态光场的制备和测量；当相对相位为180度时，可实现正交振幅反关联，正交位相正关联的双色连续变量纠缠态光场的制备和测量；当相对相位为0到180度之间的任意取值时，可实现任意正交分量关联的双色连续变量纠缠态光场的制备和测量。当调节双色可调谐衰减器使得闲置场完全损耗而只保留信号场时，可实现相位非敏感的光学参量放大过程，这时，可实现正交振幅正关联，正交位相反关联的双色连续变量纠缠态光场的制备和测量，同时制备的纠缠态光场不受注入信号场和抽运场之间的相对相位的影响，从而系统具有较高的稳定性。
附图说明
图1双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置示意图，图中：1-单频连续波激光器，2-光隔离器，3-双向抽运的非线性光学谐振器，4-种子光注入系统，5-腔长和相位锁定系统，6-双色纠缠光平衡零拍测量系统，7-非线性介质，8-分光器，9-可变双色衰减器，10-全反射平面镜。
图2扫描注入信号光和抽运光的相对相位时观察到的光学参量放大器输出
信号场的光强变化图
图3 0.8和1.5微米光场正交振幅分量差的量子关联噪声谱
图4 0.8和1.5微米光场正交位相分量和的量子关联噪声谱
具体实施方式
如图1所示，采用输出波长为526.5nm的NdYLF/LBO单频连续波激光器作为抽运光源1，激光器输出的单频激光首先通过隔离比为40dB的光隔离器2以消除反馈激光对激光器稳定运转的干扰，然后利用分束比可调的分束器将抽运激光分为两部分，分别从正向和方向泵浦双向抽运的非线性光学谐振器3，双向抽运的非线性光学谐振器3由双向抽运的四镜环形非线性谐振器构成，其中一个方向运转于阈值以上构成光学参量振荡器，另一个方向运转于阈值以下构成光学参量放大器。非线性介质7采用周期极化KTiOPO4晶体，小角度倾斜放置(晶体端面的法线和入射光线的夹角为3度)，以消除非线性晶体端面剩余反射导致的正反向光场之间的相互耦合对纠缠源稳定运转及纠缠态制备的不利影响。光学参量振荡器输出的信号光和闲置光的大部分用作平衡零拍测量的本地光；用作反方向的光学参量放大器的注入场由种子光注入系统4提供：利用未镀膜的平面镜8将光学参量振荡器输出场分出一小部分， 再由双色镜和中性衰减片构成的可变双色衰减器9将0.8微米的闲置光过滤掉，并对1.5微米的信号光的光强进行衰减，剩余的1.5微米信号光零度入射到对0.8和1.5微米双高反的平面镜10上，被沿原光路反射回光学参量放大器内作为注入光。利用Pound-Drever-Hall稳频系统5将双向抽运的非线性光学谐振器3的腔长锁定到下转换光场的双共振透射峰值处。在制备得到双色纠缠态光场的基础上，利用双色纠缠光平衡零拍测量系统6对纠缠态光场的正交分量量子关联度进行测量，进一步对其纠缠度进行评估。
图2是实验观察到的光学参量放大器输出信号场的强度随着注入信号光和抽运光场之间相对相位的变化曲线。可以看出，由于只有信号光场作为注入场，光学参量放大器的运转方式为相位非敏感的光学参量放大过程，即输出信号场的强度不随相对相位的变化而变化。这时，可实现正交振幅正关联，正交位相反关联的双色连续变量纠缠态光场的制备和测量，同时制备的纠缠态光场不受注入信号场和抽运场之间的相对相位的影响，从而系统具有较高的稳定性。
图3是实验测量的0.8和1.5微米光场的正交振幅分量差噪声功率谱。在分析频率为2.5MHz处，光学参量放大器输出光场的正交振幅分量差量子关联度为2.5dB。
图4是实验测量的0.8和1.5微米光场的正交位相分量和噪声功率谱，在分析频率为2.5MHz处，光学参量放大器输出光场的正交位相分量和量子关联度为2.5dB。根据纠缠态的不可分离判据 可证明光学参量放大器输出的0.8和1.5微米光场处于连续变量纠缠态。
Claims (4)
1.一种双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置，由单频连续波激光器（1）、光隔离器（2）、双向抽运的非线性光学谐振器（3）、种子光注入系统（4）、腔长和相位锁定系统（5）和双色纠缠光平衡零拍测量系统（6）组成；
所述的双向抽运的非线性光学谐振器（3）由双向抽运装置、环形腔和非线性介质（7）构成，其中：所述的双向抽运装置能够调节正向和反向抽运激光的功率，使得非线性光学谐振器（3）的一个方向运转于阈值以上构成光学参量振荡器，另一个方向运转于阈值以下构成光学参量放大器；所述的环形腔由至少三个反射镜构成且处于稳定区域；所述的非线性介质（7）的两个端面的法线和入射光线夹角为10度以下；
其特征在于，所述的种子光注入系统（4）由分光器（8）、可变双色衰减器（9）、全反射平面镜（10）构成，分光器（8）将双向抽运的非线性光学谐振器（3）输出的明亮信号和闲置光分出一部分，进入可变双色衰减器（9），接着被全反射平面镜（10）沿原光路反射回双向抽运的非线性光学谐振器（3）；所述的可变双色衰减器（9）由双色镜和中性衰减片构成。
2.根据权利要求书1所述的一种双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置，其特征在于所述的非线性介质（7）的两个端面切割成楔形，楔形的角度为10度以下。
3.根据权利要求书1所述的一种双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置，其特征在于所述的非线性介质（7）的两个端面的法线和入射光线的夹角角度为2-4度。
4.根据权利要求书2所述的一种双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置，其特征在于所述的楔形的角度为2-4度。
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