CN103176329B - 一种连续变量量子纠缠源产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续变量量子纠缠源产生装置，包括激光器模块、分光耦合模块、激光器参考腔模块、位相调制器、光学参量放大器锁定模块、反位相调节与锁定模块、隔离器与光束整形模块、光学参量放大器模块、探测系统模块和贝尔态直接探测系统模块；所述的各模块均固定在各自的底板上，并进行密封处理后依次固定于纠缠源总底板的相应位置；其中所述的光学参量放大器模块中非线性晶体加盖聚砜套进行保温。该纠缠源产生装置有利于提高纠缠源产生装置的稳定性、可靠性、可操作性、可更换性，易于产品化和批量生产等。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续变量非经典光场的产生装置，具体是一种稳定可靠、易于维护的连续变量量子纠缠态光场产生的装置。
背景技术
量子信息科学是量子物理和信息科学相结合的一门新兴学科，是利用量子力学的基本原理研究信息技术的一门实用性学科。它的目的之一就是以信息论解释量子物理的基本概念，同时对量子效应的进一步探索将会促进信息处理及通讯的大幅度发展。由于光波传递的高速性以及其加载信号的便利性，并伴随着激光器的发展以及光纤技术的进一步发展，基于光纤通讯技术量子信息的研究必将广泛应用于未来的通讯领域。而量子纠缠光场是量子信息处理中的核心“资源”，是研制具有超级计算机能力的量子计算机和绝对保密量子通讯的基础，因此，稳定的量子纠缠源产生装置是量子信息研究中必备的光源系统。
量子信息的研究可分为分离变量和连续变量两大类，能够用有限维希尔伯特空间表征量子力学中的物理量称为分离变量，例如光子或光波场的偏振；而粒子的位置与动量，光波场的正交振幅与正交位相分量等，它们的每一个值对应于不同的正交本征态，其本征态构成无限维希尔伯特空间，称为连续变量。目前，德国的Qutools公司和中国科学技术大学安徽量子通信技术有限公司已经完成了基于分离变量纠缠源系统的样机，并作为实验系统产品开始销售。但是基于连续变量的量子纠缠源光学系统，由于其比较复杂、控制系统操作繁琐，目前还没有相关产品问世。山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，从上世纪80年代以来就开始从事连续变量量子纠缠态光场产生的实验研究工作，为了满足量子信息进一步发展对纠缠光源的需求，我们课题组在2011-2012年期间开展了小型化纠缠源样机的研制工作，并申请专利（申请号201110312978.8）。在研制过程中，我们发现离散元件受到环境条件影响较大，尤其是光学参量放大器抗干扰能力差，容易受外界环境温度、振动和灰尘等的影响，无法实现稳定的纠缠光输出。并且由于各离散元件相对独立，一旦某一元件出现故障更换较为麻烦，一个元件的改变会影响整个光学系统，从而不利于系统的维护。
本申请是在以上工作的基础上，旨在提供一种稳定可靠、易于维护的连续变量量子纠缠态光场产生装置，通过将纠缠源按功能分区，各分区模块单独调试固定于各自底板上，进行密封处理后依次固定于纠缠源总底板上，并对光学参量放大器中的非线性晶体加聚砜套进行保温处理，极大地改善了纠缠源系统的稳定性。通过以上设计，保证了连续变量量子纠缠源产生装置稳定可靠、操作方便、易于维护，更利于产品化的需求和批量生产。
发明内容
本发明专利的目的是提供一种稳定可靠、操作方便、易于维护的连续变量量子纠缠态光场产生装置。
本发明提供的一种连续变量量子纠缠源产生装置，包括激光器模块、分光耦合模块、激光器参考腔模块、位相调制器、光学参量放大器锁定模块、反位相调节与锁定模块、隔离器与光束整形模块、光学参量放大器模块、贝尔态直接探测系统模块和探测系统模块；所述的各模块均固定在各自的底板上，并安装外壳和密封窗片，然后固定于纠缠源总底板上；所述的光学参量放大器模块中的非线性晶体放置于紫铜控温炉内并加盖聚砜保温套。本发明解决了现有连续变量量子纠缠源容易受环境温度和灰尘等的影响，极大地提高了纠缠源系统的稳定性。
所述的分光耦合模块包括用于分光耦合与光束整形的至少两片信号光导光镜、一片泵浦光导光镜、一片透镜、一片信号光半波片和一块信号光偏振分束棱镜。
所述光学参量放大器锁定模块包括用于光学参量放大器锁定的一个宽带探测器，一个信号光隔离器、至少两片信号光半波片和一片透镜。
所述的激光器参考腔模块包括用于信号光单频监视与激光器锁定的一个参考腔、一个探测器和至少一个透镜。
所述的反位相调节与锁定模块包括用于反位相调节与锁定的至少一片粘帖有压电陶瓷的泵浦光高反镜、一片粘贴有压电陶瓷的信号光高反镜、一片信号光导光镜和一片泵浦光导光镜。
所述的隔离器与光束整形模块包括用于泵浦光隔离与光束整形的至少一个泵浦光隔离器、一片透镜和两片泵浦光半波片。
所述的光学参量放大器模块包括用于纠缠光产生的一个光学参量放大器和至少两个透镜。
所述的探测系统模块包括用于光学参量放大器输出信号光和泵浦光探测的一个信号光探测器、一个泵浦光探测器和至少两个透镜、一个分光镜和一个导光镜。
所述的各模块底板和纠缠源总底板，均为精密数控车床上一次加工成型的一整块硬铝、铸铝、航空铝或者铟钢。
所述的各模块外壳可以是有机玻璃、铁皮、硬铝或者航空铝。
所述的各模块密封窗片是镀有信号光和泵浦光双减反膜的平面镜。
本发明连续变量量子纠缠源产生装置密封前，需将纠缠源系统各模块固定在各自的底板上，调试准直好后，依次固定于纠缠源总底板相应位置上，并仔细调节光学参量放大器的耦合效率、信号光增益和贝尔态直接探测系统的干涉效率，使其达到最佳状态，然后在光学参量放大器非线性晶体处加盖聚砜保温套，最后各模块依次加外壳、窗片和密封圈进行密封。
与现有技术相比较，本发明设计的一种连续变量量子纠缠源产生装置具有以下优点：
（1）本发明采用的模块化纠缠源系统使得各模块可在外界辅助光路中单独调节，独立密封后安装于纠缠源总底板相应位置上；因为各模块功能相对独立，所以一旦某一模块出现故障，方便拆除、更换与维修。
（2）本发明使用的光学参量放大器中的非线性晶体采用了聚砜保温材料进行保温，避免了环境温度对非线性晶体温度的影响，有利于光学参量放大器实现稳定的锁定，从而提高了纠缠光输出的稳定性。
（3）本发明各模块通过加外壳、窗片和密封圈进行密封，使得光学元件与外界隔离，有利于保持光学元件的洁净度，提高了纠缠源系统的稳定性和使用寿命。
总之，本发明连续变量量子纠缠态光场产生装置解决了现有连续变量量子纠缠源容易受环境温度、灰尘等的影响、不利于维护等问题，极大提高了纠缠态光场产生装置的稳定性、可靠性、可操作性和可更换性，并且有利于产品化和批量生产等。
附图说明
图1是连续变量量子纠缠源产生装置中各模块内部结构图。
图2a是离散元件连续变量量子纠缠源产生装置光学参量放大器锁定状态图
图2b是本发明连续变量量子纠缠源产生装置光学参量放大器锁定状态图
图3a是离散元件连续变量量子纠缠源产生装置输出的纠缠光正交振幅和（〈δ(X1+X2)2〉）噪声特性曲线
图3b是离散元件连续变量量子纠缠源产生装置输出的纠缠光正交位相差（〈δ(Y1-Y2)2〉）噪声特性曲线
图3c是本发明连续变量量子纠缠源产生装置输出的纠缠光正交振幅和（〈δ(X1+X2)2〉）噪声特性曲线
图3d是本发明连续变量量子纠缠源产生装置输出的纠缠光正交位相差（〈δ(Y1-Y2)2〉）噪声特性曲线
具体实施方式
图1是本发明连续变量量子纠缠源产生装置的一种实施方式，其各模块包括激光器模块1、分光耦合模块2、激光器参考腔模块3、位相调制器4、光学参量放大器锁定模块5、反位相调节与锁定模块6、隔离器与光束整形模块7、光学参量放大器模块8、探测系统模块9和贝尔态直接探测系统模块10；各模块均固定于如图1所示各自的一整块硬铝底板上，加外壳和密封窗片后，将各模块固定于纠缠源铸铝总底板11上。
所述的分光耦合模块2由第一540nm与1080nm聚焦透镜21（镀有540nm和1080nm双减反膜的平凸透镜）、第一540nm与1080nm分光镜22（镀有540nm高有反和1080nm高透的平面镜）、第一1080nm高反镜23（镀有1080nm高反膜的平面镜）、第一1080nm半波片24、1080nm偏振分束棱镜25和第二1080nm高反镜26组成；所述的激光器参考腔模块3由光学参考腔31、第一1080nm聚焦透镜32和1080nm信号光探测器33组成；所述的光学参量放大器锁定模块5由第二1080nm半波片51、1080nm隔离器52、第三1080nm高反镜53、第二1080nm聚焦透镜54、80M宽带探测器55和第三1080nm半波片56组成；所述的反位相调节与锁定模块6由粘帖有压电陶瓷的1080nm高反镜61、第四1080nm高反镜62、粘帖有压电陶瓷的540nm高反镜63（镀有540nm高反膜的平面镜）和第二540nm与1080nm分光镜64组成；所述的隔离器与光束整形模块7由第一540nm半波片71、540nm隔离器72、第二540nm半波片73和540nm整形透镜组74（由两片镀有540nm高反膜的平凸透镜组成）组成；所述的光学参量放大器模块8由光学参量放大器第二540nm和1080nm聚焦透镜81（镀有540nm和1080nm双减反膜的平凸透镜）、光学参量放大器82和第三540nm与1080nm聚焦透镜83组成；所述的探测系统模块9由第三540nm与1080nm分光镜91、第五1080nm高反镜92、540nm聚焦透镜93、第三1080nm聚焦透镜94、540nm探测器95和1080nm微功率探测器96组成。
激光器模块1为双波长输出单频激光器，输出的1080nm和540nm激光，分别作为注入参量放大器82的信号光和泵浦光，经分光耦合系统2分光整形后，分为两路1080nm信号光和一路540nm泵浦光。一路1080nm信号光注入到光学参考腔模块3中，用来监视激光器单频并锁定激光器频率；另外一路1080nm信号光经过调制器4和反位相调节与锁定模块6注入光学参量放大器82中，作为信号光，大部分1080nm信号光经光学参量放大器82中KTP晶体前表面反射后返回1080nm信号光隔离器52中，经反射后注入80M宽带探测器55中，并结合1080nm位相调制器4（位相调制器4上施加60MHz-80MHz的高频信号），将光信号与高频信号通过混频器混频后用于光学参量放大器82的锁定。540nm泵浦光经过隔离器与光束整形模块7和反位相调节与锁定模块6后，作为光学参量放大器82注入的540nm泵浦光。在此环节中，反位相调节与锁定模块6的作用是：通过扫描粘帖有压电陶瓷的1080nm高反镜61和粘帖有压电陶瓷的540nm高反镜63上的压电陶瓷，扫描540nm和1080nm激光的位相，并将两者相对位相锁定为π。1080nm与540nm在光学参量放大器82内的Ⅱ类位相匹配的KTP晶体中经过参量反放大过程产生1080nm纠缠光。当折叠镜13（安装于折叠镜架上镀有1080nm高反膜的导光镜）向上翻起后，产生的1080nm纠缠光由图中虚线位置输出；当折叠镜13向下折叠后，输出的纠缠光经过1080nm高反与540nm高透镜12后，大部分的纠缠光注入到贝尔态直接探测系统模块10中，用于纠缠光正交振幅和（<δ(X1+X2)2>）与正交位相差（<δ(Y1-Y2)2>）噪声的测量，由1080nm高反与540nm高透镜12漏过的稍许纠缠光和透射出的540nm泵浦光注入到探测系统模块9中，用于监视光学参量放大器82中振荡的1080nm和540nm光束与光学参量放大器82的匹配效率和锁定状态。
在密封前，调试光学参量放大器82的匹配效率达到95%以上，即通过安装于光学参量放大器82输出耦合镜上的压电陶瓷扫描腔长，获得的一个自由光谱区范围内主模透射峰高度与主模、小模透射峰高度和之比达到0.95以上，然后在光学参量放大器82中的非线性晶体紫铜控温炉内加盖聚砜保温套；随后，在光学参量放大器82中注入1080nm信号光与540nm抽运光的条件下，调试光学参量放大器82信号光的增益，使其放大倍数达到10倍以上；最后，调试贝尔态直接探测系统模块纠缠光的干涉效率使其达到99%以上。经过以上调试后，各模块均加盖硬铝外壳，并在光口位置安装540nm、1080nm双减反窗片后进行密封。
光学参量放大器82是产生纠缠光的关键部件，本发明设计中的光学参量放大器82，采用聚砜套对其中的非线性晶体进行保温，并安装硬铝外壳和窗片进行密封，保证了纠缠光在环境温度和振动有微小扰动时，光学参量放大器82仍可以获得稳定的纠缠光输出，并且使得其锁定状态可持续更长的时间。图2a和图2b分别为离散元件纠缠源系统和本发明纠缠源系统中光学参量放大器82锁定后曲线图，从图中可以看出经过模块化、密封保温处理后的纠缠源系统，其光学参量放大器82锁定后稳定性（图3b）明显提高，并且锁定状态持续的时间从几分钟提高到了几十分钟甚至几小时，受环境温度和振动的影响明显减弱，手指敲击平台也不会造成光学参量放大器82失锁，而离散元件则无法达到本设计的相同效果。此外，为了使光学参量放大器工作于反放大状态，必须在光学参量放大器82锁定的状态下，同时对π位相进行锁定。再则，要测量光学参量放大器82输出纠缠光的噪声特性，我们必须将贝尔态直接探测系统10中发生干涉的两束光场相对位相差锁定为π/2。通过以上模块化、密封和保温设计后，我们发现π位相和π/2位相锁定后的稳定性也得到了明显改善；在激光器1和以上三路同时锁定后，锁定状态持续时间从过去的几秒钟增加到了30分钟左右。为了说明本设计的效果，在激光器1、光学参量放大器8、π位相和π/2位相同时锁定的状态下，我们采用贝尔态直接探测的办法对输出的纠缠光噪声特性进行了测量，在本系统中为正交振幅和（<δ(X1+X2)2>）与正交位相差（<δ(Y1-Y2)2>）噪声特性。图3a和图3b为离散元件纠缠源系统输出纠缠光束的正交振幅和（<δ(X1+X2)2>）与正交位相差（<δ(Y1-Y2)2>）噪声特性曲线；图3c和图3d为本发明中纠缠源系统输出纠缠光束的正交振幅和（<δ(X1+X2)2>）与正交位相差（<δ(Y1-Y2)2>）噪声特性曲线。从图3a-3d中我们可以看出，离散元件纠缠源噪声谱线起伏较大，而本发明设计的纠缠源输出噪声谱线比较平缓，可以得到稳定的纠缠光输出。并且实验中离散元件纠缠源无法获得稳定的纠缠光噪声谱线，噪声曲线上下抖动幅度较大，持续时间较短，需要抓拍才可测量到噪声特性曲线；而经过模块化、密封保温处理后的纠缠源装置产生的纠缠光噪声谱线可以在最佳纠缠度位置持续较长的时间，随时可以对纠缠光噪声进行在线测量。
本发明的其它实施方式：
可以在上述实施方式的基础上采用1550nm和775nm双波长输出的激光器作为光源，其中1550nm激光作为信号光，775nm作为泵浦光，获得1550nm纠缠光输出。
可以在上述实施方式的基础上采用1342nm和671nm双波长输出的激光器作为光源，其中信号光为1342nm，泵浦光为671nm，获得1342nm纠缠光输出。
可以在上述实施方式的基础上采用1064nm和532nm双波长输出的激光器作为光源，其中信号光为1064nm，泵浦光为532nm，获得1064nm纠缠光输出。
可以在上述实施方式的基础上采用795nm和398nm双波长输出的激光器作为光源，其中信号光为795nm，泵浦光为398nm，获得795nm纠缠光输出。
本发明的连续变量量子纠缠源产生装置，通过将纠缠源系统按功能分区，并将各分区模块单独固定于一整块底板上，且所有底板均通过精密数控车床一次加工成型，然后加外壳和窗片独立密封后统一固定于纠缠源总底板11上，同时光学参量放大器82中非线性晶体加盖聚砜保温套，保证了非线性晶体温度恒定，极大地改善了纠缠源系统的稳定性和可靠性。由于此设计各模块功能相互独立，可单独拆装更换，更加方便了纠缠源系统的维护，有助于改善纠缠源各模块锁定过程的稳定性，提高纠缠源输出纠缠光的稳定性，延长纠缠源的使用寿命，更加适合于产品化和批量生产。
Claims (7)
1.一种连续变量量子纠缠源产生装置，包括激光器模块(1)、分光耦合模块(2)、激光器参考腔模块(3)、位相调制器(4)、光学参量放大器锁定模块(5)、反位相调节与锁定模块(6)、隔离器与光束整形模块(7)、光学参量放大器模块(8)、探测系统模块(9)和贝尔态直接探测系统模块(10)；其特征在于，所述的各模块均固定在各自的底板上，并安装外壳和密封窗片，然后固定于纠缠源总底板(11)上；所述的光学参量放大器模块(8)中的非线性晶体放置于紫铜控温炉内并加盖聚砜保温套；
所述的分光耦合模块(2)包括用于分光耦合与光束整形的至少两片信号光导光镜、一片泵浦光导光镜、一片透镜、一片信号光半波片和一块信号光偏振分束棱镜；
所述的光学参量放大器锁定模块(5)包括用于光学参量放大器锁定的一个宽带探测器，一个信号光隔离器、至少两片信号光半波片和一片透镜；
所述的激光器模块(1)输出的基频光与倍频光经分光耦合系统(2)分为两路基频光和一路倍频光；一路基频光注入激光器参考腔模块(3)，另外一路经过位相调制器(4)和反位相调节与锁定模块(6)注入光学参量放大器模块(8)，作为光学参量放大器的信号光；倍频光经过隔离器与光束整形模块(7)和反位相调节与锁定模块(6)，作为光学参量放大器模块(8)注入的泵浦光；光学参量放大器模块(8)输出的大部分信号光注入到贝尔态直接探测系统模块(10)，稍许信号光与透射的泵浦光注入到探测系统模块(9)。
2.根据权利要求书1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，所述的激光器参考腔模块(3)包括用于信号光单频监视与激光器锁定的一个参考腔、一个探测器和至少一个透镜。
3.根据权利要求书1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，所述的反位相调节与锁定模块(6)包括用于反位相调节与锁定的至少一片粘帖有压电陶瓷的泵浦光高反镜、一片粘贴有压电陶瓷的信号光高反镜、一片信号光导光镜和一片泵浦光导光镜。
4.根据权利要求书1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，所述的隔离器与光束整形模块(7)包括用于泵浦光隔离与光束整形的至少一个泵浦光隔离器、一片透镜和两片泵浦光半波片。
5.根据权利要求书1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，所述的光学参量放大器模块(8)包括用于纠缠光产生的一个光学参量放大器和至少两个透镜。
6.根据权利要求书1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，所述的探测系统模块(9)包括用于光学参量放大器输出信号光和泵浦光探测的一个信号光探测器、一个泵浦光探测器和至少两个透镜、一个信号光与泵浦光分光镜和一个信号光导光镜。
7.根据权利要求书1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于所述的各模块底板和纠缠源总底板，均为精密数控车床上一次加工成型的一整块硬铝、铸铝、航空铝或者铟钢。
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