CN103488022B - 一种偏振无关的量子频率上转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于波长转换技术领域，具体涉及一种偏振无关的量子频率上转换方法，该上转换方法通过利用第二类相位匹配的光路和第零类相位匹配的光路同轴串联能转换相互正交偏振态的特点，实现了同轴的、无相位延时的偏振无关的频率上转换。本发明的优点是，方法简单，利用同轴串联的第二类相位匹配光路和第零类相位匹配光路结构实现正交偏振纠缠态的光量子频率上转换，通过调节补偿器可以做到两个偏振的无延时合束，保持入射信号光完整性，该设计具有偏振无关的特性。

Description

一种偏振无关的量子频率上转换方法

技术领域

本发明属于波长转换技术领域，具体涉及一种偏振无关的量子频率上转换方法。

背景技术

量子计算机突出的优点，吸引许许多多科学工作者从事相关研究。量子通信可以光子作为载体，纠缠态作为qubit编码信息。而光纤通信以1550nm波段最优，纠缠态信息的存储目前在铷蒸汽中效率最高，其波长在800nm左右。因此，如何在保持量子特性，特别是其纠缠态不改变的情况下，实现800nm附近光子与1550nm通信波段光子之间的相互转化，成了关键性的问题。1992年Kumar通过实验检测频率转换前后的光子非经典强度相关性，验证得出光子频率上转换后其量子特性得以保持。在这些量子纠缠态中，偏振纠缠态因其容易产生，能够精准控制，且便于测量的优点得到了广泛的应用。PaulG.Kwiat等人从经典场出发，推导出光子相位和偏振在频率转换的过程中适当条件下是保持原来的特性。

正是由于这一重要的量子特性，频率转换技术才能在量子光学领域得到重要应用。忽略泵浦在上转换过程的能量损耗，可以用Ep表示，则和频过程中系统哈密顿量可以表示为：

其中，为信号光子的湮灭算符，是和频光子产生算符，g为耦合系数。应用初始条件，得出在出射非线性介质的时刻，入射光子态和和频光子态的表达式：

L为非线性晶体中相互作用的长度。从以上两个算符表达式可以看出，在满足时，和频光子与信号光子可以实现完全的转换，并且保持完全相同的量子态，即。由此可知，光子在和频转换后是可以保持其原始光子特性的。

由于频率上转换探测是基于二阶非线性晶体的非线性作用过程，除了满足能量守恒

，

分别表示信号光、泵浦光及和频光的频率，还需要满足相位匹配条件

,

其中分别对应频率的光波在介质中相应偏振态的折射率。为了满足相位匹配条件，对信号光和泵浦光都有特定的偏振方向要求。晶体中发生第二类相位匹配和第零类相位匹配所要满足的条件如下表所示。例如，为满足第二类相位匹配条件，水平偏振信号光（）的频率与其在晶体中的折射率乘积和竖直偏振泵浦光（）的频率与其在晶体中的折射率乘积之和等于水平偏振和频光（）的频率与其在晶体中的折射率乘积，即。如图1中所示，H表示水平偏振态，V表示竖直偏振态。

然而，在光量子传输和量子光学等很多其他领域都需要偏振不敏感的探测器，国外很多小组开展了偏振无关的频率上转换探测研究。偏振无关上转换，一般将入射信号光分为水平和竖直两个正交偏振方向分别进行转换，然后将两个和频后的偏振合束。入射光子偏振态，分解为正交偏振有

上转换后和频光子偏振态可以简单描述为

由上两式可看出，只要引入适当的延时，可以使得，上两式可以合并为

这样，和频光在上转换后保持了信号光的偏振特性。

2006年，MariusA.Albota小组利用周期极化锂酸铌晶体（PPLN）与一个四分之一波片（QWP）和高反射镜的组合实现偏振无关的上转换装置，转换效率达到73%左右。这一个方案利用内腔增强的方法，结构复杂，并且和频光相比入射信号光翻转90o。2012年A.Zeilinger小组利用两块4.3mm周期极化磷酸氧钛钾晶体（PPKTP）垂直连结在一起实现偏振无关的上转换，并验证转换后和频光子很好的保持信号光子的偏振纠缠特性。但这一方法受光在晶体中走离的限制，晶体长度要很短，转换效率不高。并且，在两块晶体中产生的和频光之间会存在一个延时。

综上所述，虽然目前偏振无关的频率上转换方法很多，但都存在各种缺陷与不足。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种偏振无关的量子频率上转换方法，该上转换方法通过利用第二类相位匹配和第零类相位匹配串联能转换相互正交偏振态的特点，实现了同轴的、无相位延时的偏振无关的频率上转换。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种偏振无关的量子频率上转换方法，涉及入射的泵浦光和信号光，其特征在于所述上转换方法具体为：在同一个光路中分别采用第二类相位匹配和第零类相位匹配，所述第二类相位匹配过程中，入射的所述泵浦光与信号光偏振相互垂直，且出射的上转换光偏振与所述信号光一致；所述第零类相位匹配过程中，入射的所述泵浦光与信号光以及出射的上转换光偏振方向均一致，利用偏振分束器将水平偏振态的所述上转换光和垂直偏振态的所述上转换光合束，实现与入射光量子偏振态完全相同的频率上转换过程。

所述第二类相位匹配的光路包含二向色镜Ⅰ以及第二类相位匹配晶体，所述二向色镜Ⅰ位于所述泵浦光和信号光的正交点处，以使两者合束入射所述第二类相位匹配晶体后，入射所述第零类相位匹配的光路；所述第零类相位匹配的光路包含偏振分束器Ⅰ和偏振分束器Ⅱ、第零类相位匹配晶体和二向色镜Ⅱ，入射进所述第零类相位匹配的光路的光经过所述偏振分束器Ⅰ分束，一路光经过所述第零类相位匹配晶体后，经所述二向色镜Ⅱ反射入射所述偏振分束器Ⅱ，另一路光经过反射并通过补偿器入射所述偏振分束器Ⅱ，入射所述偏振分束器Ⅱ的两路光合束后得到完整的和频光。

第二类相位匹配的光路中，所述泵浦光经一45°夹角设置的反射镜入射所述二向色镜Ⅰ。

本发明的优点是，方法简单，利用同轴串联的第二类相位匹配光路和第零类相位匹配光路结构实现正交偏振纠缠态的光量子频率上转换，通过调节补偿器可以做到两个偏振的无延时合束，保持入射信号光完整性，该设计具有偏振无关的特性。

附图说明

图1为第二类相位匹配和第零类相位匹配的条件示意表格；

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-2，图中标记1-11分别为：信号光量子源1、泵浦光源2、反射镜3、二向色镜4、第二类相位匹配晶体5、偏振分束器6、第零类相位匹配晶体7、二向色镜8、反射镜9、补偿器10、偏振分束器11。

实施例：如图2所示，本实施例具体涉及一种偏振无关的量子频率上转换方法，该种新型的偏振无关的波长转换方法结合了第零类相位匹配和第二类相位匹配能转换相互正交偏振态的特点，实现了同轴的，无相位延时的偏振无关的频率上转换。在同一个光路中分别采用第二类相位匹配和第零类相位匹配，第二类相位匹配过程中，入射的泵浦光与信号光偏振相互垂直，且出射的上转换光偏振与信号光一致；第零类相位匹配过程中，入射的泵浦光与信号光以及出射的上转换光偏振方向均一致，利用偏振分束器将水平偏振态的上转换光和垂直偏振态的所述上转换光合束，实现与入射光量子偏振态完全相同的频率上转换过程。

如图2所示，用以实现上述上转换方法的装置由第二类相位匹配光路和第零类相位匹配光路同轴串联构成，第二类相位匹配光路包括信号光量子源1、泵浦光源2、反射镜3、二向色镜4以及第二类相位匹配晶体5，信号光量子源1用于发射具有未知偏振态的光量子，泵浦光源2与信号光量子源1平行设置且入射方向相同，反射镜3位于泵浦光源2前方并与泵浦光源2的入射方向呈45°角设置，用于全反射泵浦光，反射的泵浦光与信号光量子源1的入射方向正交，二向色镜4位于该正交点处并且平行于反射镜3的设置方向，该二向反色镜4用于全反射泵浦光、透射信号光（波长相关、偏振无关），第二类相位匹配晶体5（即非线性晶体）位于二向色镜4的前方并沿信号光量子源1的入射方向设置，该第二类相位匹配晶体5用于实现泵浦光与信号光子之间第二类相位匹配。

第零类相位匹配光路包括偏振分束器6、第零类相位匹配晶体7、二向色镜8、反射镜9、补偿器10以及偏振分束器11，偏振分束器6位于第二类相位匹配晶体5的前方，用于透射水平偏振光、反射垂直偏振光（波长无关），实现上转换光子的分离；第零类相位匹配晶体7（即非线性晶体）位于偏振分束器6的前方并沿信号光量子源1的入射方向设置，实现泵浦光与信号光子之间第零类相位匹配；二向色镜8位于第零类相位匹配晶体7的前方，并与信号光量子源1的入射方向呈45°夹角设置，即与二向色镜4相垂直的方向布置，用于全反射上转换光，使其传播方向发生90°变化，透射泵浦光（波长相关，偏振无关）；反射镜9位于偏振分束器6的侧方，并以与二向色镜4相垂直的方向布置，用于全反射上转换光，使其传播方向发生90°变化；补偿器10位于反射镜9前方，并平行于信号光量子源1的入射方向布置，用于补偿两个正交偏振态之间的延时；偏振分束器11位于二向色镜8反射光与补偿器10出射光的正交点处，用于透射水平偏振光，反射垂直偏振光（波长无关），实现上转换光子的正交偏振态合成。

如下表格中所示为各部件的功能描述。

如图2所示，上述偏振无关的量子频率上转换方法具体如下：

信号光量子源1输出能量较低的信号光量子，泵浦光源2输出强泵浦光，信号光和经由反射镜3全反射的泵浦光通过双向色镜4合束，入射到第二类相位匹配晶体5，通过调整温度使得满足第二类相位匹配，，得到偏振态为水平的和频光；从第二类相位匹配晶体5出射光通过偏振分束器6（PBS）将偏振态为水平方向的和频光从信号光和泵浦光中分离出来,经过反射镜9和补偿器10入射到偏振分束器11（PBS）；偏振态为竖直方向的信号光和泵浦光入射至第零类相位匹配晶体7,发生和频过程，得到偏振态为竖直方向的和频光；偏振态为竖直方向的和频光经过二向色镜8反射至偏振分束器11；在偏振分束器11中偏振态为水平方向的和频光和偏振态为竖直方向的和频光合束，可以获得完整的和频光，其偏振特性与入射光信号光保持一致。

本实施例的主要思路是，基于光量子态的正交可分解特性，将入射光量子分解为水平和竖直偏振态，由于在非线性光学频率上转换过程中，对入射光子的偏振态有严格的要求，因此，单一的频率上转换过程只对某一个处于水平或者竖直偏振态光子有作用，对处于其另一正交方向上的偏振态没有作用。因此我们在同一个光路中分别采用第零类相位匹配和第二类相位匹配，采用一种串联的结构，分别实现两个正交偏振态的频率上转换。由于处于串联的同一光路中，尽管两个正交的偏振态是分别被上转换的，我们仍可以方便的保持两个正交偏振态之间的相位关系。实现的效果就是频率上转换后的光量子具有与入射信号光量子相同的偏振态，也能够实现入射光子与上转换光子之间保持同样的偏振纠缠态。

在第二类相位匹配过程中，入射的泵浦光与信号光偏振相互正交，且出射的上转换光偏振与信号光一致；第零类相位匹配过程中，入射的泵浦光与信号光以及出射的上转换光偏振方向均一致。由于入射信号光子能量很低，所以保证泵浦光在两次非线性过程中都没有衰减，强度保持不变。

假设泵浦光为水平偏振光，入射光量子首先经过第二类相位匹配晶体，光量子的垂直偏振态成份首先被上转换，上转换后的光子同样是垂直偏振态。然后通过偏振分束器将处于垂直偏振态的上转换光子分离，处于水平偏振态的尚未被上转换的入射光量子与泵浦光一起进入第零类相位匹配晶体，通过第二次非线性作用水平偏振态的光量子被上转换，上转换光子同样是水平偏振态。最后利用偏振分束器将上转换光子的水平偏振态和垂直偏振态合束，实现与入射光量子偏振态完全相同的频率上转换过程。

如果泵浦光为垂直偏振光，原理相同。

本实施例的设计思路同样适用于光纤结构。

本实施例中的装置结构简单，方法简便，利用同轴串联的第二类相位匹配和第零类相位匹配结构实现正交偏振纠缠态的光量子频率上转换，通过调节补偿器可以做到两个偏振的无延时合束，保持入射信号光完整性，该设计具有偏振无关的特性。

Claims (2)

1.一种偏振无关的量子频率上转换方法，涉及入射的泵浦光和信号光，其特征在于所述上转换方法具体为：在同一个光路中分别采用第二类相位匹配和第零类相位匹配，所述第二类相位匹配过程中，入射的所述泵浦光与信号光偏振相互垂直，且出射的上转换光偏振与所述信号光一致；所述第零类相位匹配过程中，入射的所述泵浦光与信号光以及出射的上转换光偏振方向均一致，利用偏振分束器将水平偏振态的所述上转换光和垂直偏振态的所述上转换光合束，实现与入射光量子偏振态完全相同的频率上转换过程；所述第二类相位匹配的光路包含二向色镜Ⅰ以及第二类相位匹配晶体，所述二向色镜Ⅰ位于所述泵浦光和信号光的正交点处，以使两者合束入射所述第二类相位匹配晶体后，入射所述第零类相位匹配的光路；所述第零类相位匹配的光路包含偏振分束器Ⅰ和偏振分束器Ⅱ、第零类相位匹配晶体和二向色镜Ⅱ，入射进所述第零类相位匹配的光路的光经过所述偏振分束器Ⅰ分束，一路光经过所述第零类相位匹配晶体后，经所述二向色镜Ⅱ反射入射所述偏振分束器Ⅱ，另一路光经过反射并通过补偿器入射所述偏振分束器Ⅱ，入射所述偏振分束器Ⅱ的两路光合束后得到完整的和频光。

2.根据权利要求1所述的一种偏振无关的量子频率上转换方法，其特征在于所述第二类相位匹配的光路中，所述泵浦光经一45°夹角设置的反射镜入射所述二向色镜Ⅰ。