CN103091933B - 连续变量多色纠缠光场的产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续变量多色纠缠光场的产生装置，包括激光器、两个非简并光学参量振荡腔和三至五套非等臂马赫-曾德干涉测量系统。本发明利用两个级联非简并光学参量振荡腔产生连续变量多色纠缠光场，具有结构紧凑、调节方便、可靠性好等优点。并且它所产生的连续变量多色纠缠光场可以同时应用于量子存储以及量子通信，在量子信息网络中具有重要的应用价值。

Description

连续变量多色纠缠光场的产生装置

技术领域

本发明涉及非经典光场的产生装置，具体是一种可以应用于量子信息网络的连续变量多色纠缠光场的产生装置。

背景技术

量子纠缠是量子力学最重要的精华内容之一，它被认为是量子信息和量子计算的重要资源。双色纠缠光场在实验上已经被制备,并且应用于多种量子信息协议。而受控量子通信协议，比如受控量子密集编码，量子离物传态网络以及量子秘密共享等，需要利用多组份纠缠光场来实现。由原子与光场组成的量子信息网络的研究是发展应用的关键。其中，原子用作量子信息存储的节点，光场用于节点之间的量子信息的传输。量子信息网络的发展对多色纠缠光源提出了要求。

工作在阈值以上的非简并光学参量振荡腔是产生连续变量双色以及多色纠缠光场的有效器件。在2005年，多个研究组先后在实验上利用工作在阈值以上的非简并光学参量振荡腔得到了连续变量双色纠缠光场。在2009年，巴西的研究组首次利用工作在阈值以上的非简并光学参量振荡腔在低温条件下（-23°C）得到了连续变量三色纠缠光场，它们的波长分别为1062.102nm，1066.915nm，532.251nm。他们需要将非简并光学参量振荡腔的非线性光学晶体冷却到低温条件工作，以克服声子噪声的影响，来得到连续变量三色纠缠光场。然而，他们方法的纠缠光场的波长没有与原子吸收线以及光纤通信窗口相对应。发明波长同时与原子吸收线以及低损耗的光纤通信窗口相对应的连续变量多色纠缠光源是构建实用化的量子信息网络的必然要求。

目前，市场上还没有产生连续变量多色纠缠光场的商用装置，其主要原因在于产生连续变量多色纠缠光场的装置复杂庞大，而且技术要求高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种结构紧凑、可靠性好、调节方便的可以应用于量子信息网络的连续变量多色纠缠光场的产生装置。该装置可同时实现量子信息的存储和传输，进而应用于量子信息网路。

本发明设计了两个工作在阈值以上的非简并光学参量振荡腔组成的级联系统，可以产生波长同时与原子吸收线以及低损耗的光纤通信窗口相对应的连续变量多色纠缠光场。

本发明提供的一种连续变量多色纠缠光场的产生装置，包括激光器、第一非简并光学参量振荡腔、第二非简并光学参量振荡腔和三套、四套或五套非等臂马赫-曾德干涉测量系统；所述的激光器的输出功率高于第一非简并光学参量振荡腔的泵浦阈值功率；

所述的激光器产生的波长为λ₀的光场a₀，作为第一非简并光学参量振荡腔的泵浦光场；第一非简并光学参量振荡腔在波长为λ₀的泵浦光场a₀作用下，通过光学参量下转换过程，产生波长分别为λ₁和λ₂的信号光场a₁和闲置光场a₂；所述的波长满足能量守关系，（c是光场传播的速度）；波长为λ₁的信号光场a₁再作为第二非简并光学参量振荡腔的泵浦光场，并且利用第一非简并光学参量振荡腔的调谐特性，使闲置光场a₂的波长λ₂与铯原子吸收线相对应，用于量子信息的存储；

同时，第二非简并光学参量振荡腔在波长为λ₁的泵浦光场a₁作用下，通过光学参量下转换过程，产生波长分别为λ₃和λ₄的信号光场a₃和闲置光场a₄；所述的波长满足能量守关系，（c是光场传播的速度）；利用第二非简并光学参量振荡腔的调谐特性，使信号光场a₃和闲置光场a₄的波长λ₃和λ₄分别与光纤通信窗口相对应，用于量子信息的传输；非等臂马赫-曾德干涉测量系统用于对光场的正交分量的测量。

所述的第一非简并光学参量振荡腔采用由两片凹镜、两片平镜和非线性晶体组成的四镜环形腔结构，其中一片平镜作为输入耦合镜对波长λ0的光场的透过率为22-32％，以及对波长λ1和波长λ2的光场高反，另一片平镜作为输出耦合镜对波长λ0的光场的高反，以及对波长λ1和波长λ2的光场透过率为2-4％，两片凹镜都对波长λ0、λ1和λ2的光场高反，并且其中一片凹镜被固定在压电陶瓷上，非线性晶体使用吸收损耗低的被精确控温的PPKTP晶体；

所述的第二非简并光学参量振荡腔采用由两片凹镜、两片平镜和非线性晶体组成的四镜环形腔结构，其中一片平镜作为输入耦合镜对波长λ₁的光场的透过率为2-12％，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场高反，另一片平镜作为输出耦合镜对波长λ₁的光场的高反，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场透过率为3-5％，两片凹镜都对波长λ0、λ1和λ2的光场高反，并且其中一片凹镜被固定在压电陶瓷上，非线性晶体使用有效非线性系数高的被精确控温的PPLN晶体；

所述的非等臂马赫-曾德干涉仪由波片，偏正分束棱镜，两片高反镜，长度不同的两根光纤以及50/50分束镜组成，其中一片高反镜固定在压电陶瓷上。

本发明连续变量多色纠缠光场的产生装置，通过对非简并光学参量振荡腔构成的级联系统中非线性光学晶体以及泵浦光场的严格选择和设计，第一非简并光学参量振荡腔反射的泵浦光场和输出的闲置光场，以及第二非简并光学参量振荡腔反射的泵浦光场和输出的信号光场、闲置光场之间可以存在量子关联，得到连续变量多色纠缠光场。

该装置产生光场的波长可以分别与原子吸收线以及光纤通信窗口相对应，进而应用于量子信息网路。

与现有技术相比，本发明设计的多色纠缠光场的产生装置有以下优点：

本发明使用两个非简并光学参量振荡腔组成的级联系统，该系统结构紧凑，性能稳定。

本发明所产生的下转换光场，通过分别调节每个非简并光学参量振荡腔的非线性晶体的温度，可以实现纠缠光场的波长调谐。

总之，本发明具有结构紧凑、可靠性好和调节方便等优点，可以应用于量子信息网络。

附图说明

图1本发明连续变量三色纠缠光场的产生装置结构示意图

图2本发明连续变量四色纠缠光场的产生装置结构示意图

图3本发明连续变量五色纠缠光场的产生装置结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1.连续变量三色纠缠光场的产生装置

如图1所示的一种连续变量三色纠缠光场的产生装置，包括激光器1、第一非简并光学参量振荡腔2、第二非简并光学参量振荡腔3和三套非等臂马赫-曾德干涉测量系统4、5、6。

所述的激光器1产生的波长为λ₀的光场a₀，作为第一非简并光学参量振荡腔2的泵浦光场。第一非简并光学参量振荡腔2在波长为λ₀的泵浦光场a₀作用下，通过光学参量下转换过程，产生波长分别为λ₁和λ₂的信号光场a₁和闲置光场a₂，并且通过双色分束片将它们分开。其中，波长为λ₁的信号光场a₁作为第二非简并光学参量振荡腔3的泵浦光场，波长为λ₂的闲置光场a₂输入非等臂马赫-曾德干涉测量系统4。第二非简并光学参量振荡腔3在波长为λ₁的泵浦光场a₁作用下，通过光学参量下转换过程，产生波长分别为λ₃和λ₄的信号光场a₃和闲置光场a₄，并且通过双色分束片将它们分开。其中，波长为λ₃的信号光场a₃和波长为λ₄的闲置光场a₄分别输入非等臂马赫-曾德干涉测量系统5、6。

第一非简并光学参量振荡腔2采用由两片曲率半径为100mm的凹镜、两片平镜和非线性晶体组成的四镜环形腔结构，其中一片平镜用作输入耦合镜，对波长λ₀的光场的透过率为30％，以及对波长λ₁和波长λ₂的光场高反，输入耦合镜反射的泵浦光场能够被直接测量，另一片平镜用作输出耦合镜，对波长λ₀的光场的高反，以及对波长λ₁和波长λ₂的光场透过率为3％，两片凹镜都对波长λ0、λ1和λ2的光场高反。

第二非简并光学参量振荡腔3采用由两片曲率半径为100mm的凹镜、两片平镜和非线性晶体组成的四镜环形腔结构，其中一片平镜用作输入耦合镜，对波长λ₁的光场的透过率为10％，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场高反，输入耦合镜反射的泵浦光场能够被直接测量，另一片平镜用作输出耦合镜，对波长λ₁的光场的高反，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场透过率为4％，两片凹镜都对波长λ0、λ1和λ2的光场高反。同时，两个非简并光学参量振荡腔2、3的输出耦合镜都被固定在压电陶瓷上，用来主动扫描腔长，以及锁定在与亚谐波模式共振的腔长上。

连续变量多色纠缠光场要求非简并光学参量振荡腔产生的信号光场和闲置光场的波长差通常比较大，这在非线性光学晶体中将引起大的走离效应，并且显著地减小非线性作用。周期极化晶体采用交替反转极化的铁电结构，可以有效的解决走离效应带来的问题。PPLN晶体的有效非线性系数高于PPKTP晶体的，但是它的吸收损耗大于PPKTP晶体的。由于第一非简并光学参量振荡腔2输出的信号光场作为第二非简并光学参量振荡腔3的泵浦光场，因此这就要求第一非简并光学参量振荡腔2的信号光场的功率高于第二非简并光学参量振荡腔3的泵浦阈值功率。为了得到第一非简并光学参量振荡腔2的强输出光场，这就要求选择地低的吸收损耗PPKTP晶体，来减小内腔损耗。第二非简并光学参量振荡腔3需要低的泵浦阈值功率，这就要求选用高的有效非线性系数的PPLN晶体。两个非简并光学参量振荡腔2、3分别使用了尺寸是1*2*10mm³的PPKTP晶体和PPLN晶体。两个非线性光学晶体都放在控温炉子中，晶体的温度通过电子温度控制仪被独立控制，控温精度达到0.01°C。连续变量多色纠缠光源的的波长调谐可以通过分别改变两个非简并光学参量振荡腔2、3中非线性光学晶体的温度来实现对下转换光场波长的调谐。

非等臂马赫-曾德干涉测量系统4、5、6用于对光场的正交振幅和正交位相进行测量。不同长度的两根光纤分别作为干涉仪的长臂和短臂。我们先测量每一束光场的正交振幅噪声和正交位相噪声，再通过功率加减法器得到它们的关联噪声。首先，通过调节波片，使光束只通过短臂，这时两个探测器的和以及差分别得到正交振幅噪声以及相应的量子噪声极限。然后，通过调节波片，使光束同时通过长臂和短臂，并且保证两臂光场的光程差为π/2+2kπ，这时两个探测器的差以及和分别得到正交位相噪声以及相应的量子噪声极限。要想实现在指定边带处的噪声测量，对两臂的长度差有严格要求。在我们的系统中，要想测量2MHz处的关联噪声，这就要求两臂长度差是48m。接下来，通过功率加法器和功率减法器，可以得到正交分量的关联噪声。最后，利用频谱分析仪，可以对正交分量的关联噪声进行测量。

如果光场的正交分量满足如下两个不等式：

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_3-X_4)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(g_1^{\mathrm{opt}}{Y}_2+Y_3+Y_4)>\&le;4$

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_2-X_3)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(Y_2+Y_3+g_2^{\mathrm{opt}}{Y}_4)>\&le;4$

那么，该光场就被称之为三组份纠缠光场。其中，X和Y分别表示正交振幅和正交位相分量。并且，分别表示为了得到最大纠缠度的最佳增益因子。这里，光场a₂，光场a₃和光场a₄之间存在量子关联，并且通过非等臂马赫-曾德干涉仪对它们进行测量，可以得到连续变量三色纠缠光场。该实施例子可以克服声子噪声的影响，不在低温条件下可以得到连续变量三色纠缠光场。

通过调节第一非简并光学参量振荡腔中PPKTP晶体的温度可以得到一束波长与原子吸收线相对应的下转换光场（852.35nm）,用于量子存储。通过调节第二非简并光学参量振荡腔中的PPLN晶体的温度可以产生波长分别与光纤通信窗口相对应的下转换光场（1440.06nm和1550.60nm），用于量子通信。

实施例2.连续变量四色纠缠光场的产生装置

如图2所示的一种连续变量四色纠缠光场的产生装置，包括激光器1、第一非简并光学参量振荡腔2、第二非简并光学参量振荡腔3和四套非等臂马赫-曾德干涉测量系统4、5、6、7。

与实施例1不同之处为，第一非简并光学参量振荡腔2，对波长λ₀的光场的透过率为27％，以及对波长λ₁和波长λ₂的光场高反的平镜用作输入耦合镜。并且，对波长λ₀的光场的高反，以及对波长λ₁和波长λ₂的光场透过率为3％的平镜用作输出耦合镜。第二非简并光学参量振荡腔3，对波长λ₁的光场的透过率为8％，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场高反的平镜用作的输入耦合镜。并且，对波长λ₁的光场的高反，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场透过率为4％的平镜用作输出耦合镜。

第二非简并光学参量振荡腔3反射的波长为λ₁的泵浦光场a₁输入非等臂马赫-曾德干涉测量系统7。

这里要使用四套非等臂马赫-曾德干涉测量系统4、5、6、7。

如果光场的正交分量满足如下三个不等式：

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_3-X_4)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(g_1^{\mathrm{opt}}{Y}_1+g_2^{\mathrm{opt}}{Y}_2+Y_3+Y_4)>\&le;4$

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_2-X_3)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(g_3^{\mathrm{opt}}{Y}_1+Y_2+Y_3+g_4^{\mathrm{opt}}{Y}_4)>\&le;4$

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_1+X_3)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(Y_1+g_5^{\mathrm{opt}}{Y}_3-Y_3+g_6^{\mathrm{opt}}{Y}_4)>\&le;4$

那么，该光场就被称之为四组份纠缠光场。其中，X和Y分别表示正交振幅和正交位相分量。并且，分别表示为了得到最大纠缠度的最佳增益因子。这里，光场a₁，光场a₂，光场a₃和光场a₄之间存在量子关联，并且通过非等臂马赫-曾德干涉仪对它们进行测量，可以得到连续变量四色纠缠光场。

通过调节第一非简并光学参量振荡腔中PPKTP晶体的温度可以得到一束波长与原子吸收线相对应的下转换光场，用于量子存储。通过调节第二非简并光学参量振荡腔中的PPLN晶体的温度可以产生波长分别与光纤通信窗口相对应的下转换光场，用于量子通信。

实施例3.连续变量五色纠缠光场的产生装置

如图3所示的一种连续变量五色纠缠光场的产生装置，包括激光器1、第一非简并光学参量振荡腔2、第二非简并光学参量振荡腔3和五套非等臂马赫-曾德干涉测量系统4、5、6、7、8。

与实施例1不同之处为，第一非简并光学参量振荡腔2，对波长λ₀的光场的透过率为25％，以及对波长λ₁和波长λ₂的光场高反的平镜用作输入耦合镜。并且，对波长λ₀的光场的高反，以及对波长λ₁和波长λ₂的光场透过率为3％的平镜用作输出耦合镜。第二非简并光学参量振荡腔3，对波长λ₁的光场的透过率为5％，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场高反的平镜用作的输入耦合镜。并且，对波长λ₁的光场的高反，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场透过率为4％的平镜用作输出耦合镜。

第二非简并光学参量振荡腔3反射的波长为λ₁的泵浦光场a₁输入非等臂马赫-曾德干涉测量系统7。第一非简并光学参量振荡腔2反射的波长为λ₀的泵浦光场a₀输入非等臂马赫-曾德干涉测量系统8。

这里要使用五套非等臂马赫-曾德干涉测量系统4、5、6、7、8。

如果光场的正交分量满足如下四个不等式：

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_3-X_4)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(g_1^{\mathrm{opt}}{Y}_0+g_2^{\mathrm{opt}}{Y}_1+g_3^{\mathrm{opt}}{Y}_2+Y_3+Y_4)>\&le;4$

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_2-X_3)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(g_4^{\mathrm{opt}}{Y}_0+g_5^{\mathrm{opt}}{Y}_1+Y_2+Y_3+g_6^{\mathrm{opt}}{Y}_4)>\&le;4$

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_1+X_3)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(g_7^{\mathrm{opt}}{Y}_0+Y_1+g_8^{\mathrm{opt}}{Y}_3-Y_3+g_9^{\mathrm{opt}}{Y}_4)>\&le;4$

$<{\mathrm{\&delta;}}^2(X_0+X_1)>+<{\mathrm{\&delta;}}^2(Y_0-Y_1+g_{10}^{\mathrm{opt}}{Y}_3+g_{11}^{\mathrm{opt}}{Y}_3+g_{12}^{\mathrm{opt}}{Y}_4)>\&le;4$

那么，该光场就被称之为五组份纠缠光场。其中，X和Y分别表示正交振幅和正交位相分量。并且，分别表示为了得到最大纠缠度的最佳增益因子。这里，光场a₀，光场a₁，光场a₂，光场a₃和光场a₄之间存在量子关联，并且通过非等臂马赫-曾德干涉仪对它们进行测量，可以得到连续变量五色纠缠光场。

通过调节第一非简并光学参量振荡腔中PPKTP晶体的温度可以得到一束波长与原子吸收线相对应的下转换光场，用于量子存储。通过调节第二非简并光学参量振荡腔中的PPLN晶体的温度可以产生波长分别与光纤通信窗口相对应的下转换光场，用于量子通信。

本发明的核心是一种产生连续变量多色纠缠光场的装置。该装置可以产生稳定度高的连续变量多色纠缠光场。它所产生的连续变量多色纠缠光源适合应用于包含原子存储单元以及光纤传输通道的量子信息网络。

Claims (2)

1.一种连续变量多色纠缠光场的产生装置，其特征在于，包括激光器、第一非简并光学参量振荡腔、第二非简并光学参量振荡腔和三套、四套或五套非等臂马赫-曾德干涉测量系统；所述的激光器的输出功率高于第一非简并光学参量振荡腔的泵浦阈值功率；所述的激光器产生波长为λ₀的光场a₀，作为第一非简并光学参量振荡腔的泵浦光场；第一非简并光学参量振荡腔在波长为λ₀的泵浦光场a₀作用下，通过光学参量下转换过程，产生波长分别为λ₁和λ₂的信号光场a₁和闲置光场a₂；所述的波长满足能量守关系，c是光场传播的速度；波长为λ₁的信号光场a₁再作为第二非简并光学参量振荡腔的泵浦光场，并且利用第一非简并光学参量振荡腔的调谐特性，使闲置光场a₂的波长λ₂与铯原子吸收线相对应，用于量子信息的存储；

同时，第二非简并光学参量振荡腔在波长为λ₁的泵浦光场a₁作用下，通过光学参量下转换过程，产生波长分别为λ₃和λ₄的信号光场a₃和闲置光场a₄；所述的波长满足能量守关系，c是光场传播的速度；利用第二非简并光学参量振荡腔的调谐特性，使信号光场a₃和闲置光场a₄的波长λ₃和λ₄分别与光纤通信窗口相对应，用于量子信息的传输；非等臂马赫-曾德干涉测量系统用于对光场的正交分量的测量；

所述的第一非简并光学参量振荡腔采用由两片凹镜、两片平镜和非线性晶体组成的四镜环形腔结构，其中一片平镜作为输入耦合镜对波长λ0的光场的透过率为22-32％，以及对波长λ1和波长λ2的光场高反，另一片平镜作为输出耦合镜对波长λ0的光场的高反，以及对波长λ1和波长λ2的光场透过率为2-4％，两片凹镜都对波长λ0、λ1和λ2的光场高反，并且其中一片凹镜被固定在压电陶瓷上，非线性晶体使用吸收损耗低的被精确控温的PPKTP晶体；

所述的第二非简并光学参量振荡腔采用由两片凹镜、两片平镜和非线性晶体组成的四镜环形腔结构，其中一片平镜作为输入耦合镜对波长λ₁的光场的透过率为2-12％，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场高反，另一片平镜作为输出耦合镜对波长λ₁的光场的高反，以及对波长λ₃和波长λ₄的光场透过率为3-5％，两片凹镜都对波长λ0、λ1和λ2的光场高反，并且其中一片凹镜被固定在压电陶瓷上，非线性晶体使用有效非线性系数高的被精确控温的PPLN晶体。

2.如权利要求1所述的一种连续变量多色纠缠光场的产生装置，其特征在于，所述的非等臂马赫-曾德干涉仪由波片，偏正分束棱镜，两片高反镜，长度不同的两根光纤以及50/50分束镜组成，其中一片高反镜固定在压电陶瓷上。