CN104698720A - 一种连续变量多组份偏振纠缠光场的产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续变量多组份偏振纠缠光场的产生装置，包括激光器(1)、二次谐波产生器(2)、多个光学参量放大器、干涉系统(4)和多套斯托克斯测量系统(5)，所述的激光器是低噪声、可调谐激光器，多个光学参量放大器是由特定的非线性晶体和腔镜构成，干涉系统是由多个不同的光学分束片和多个不同的偏振分束棱镜构成。本发明在常温条件下制备了波长与原子吸收线对应的、空间分离的多束连续变量偏振纠缠光场，可以用于量子存储、量子中继和量子网络。

Description

一种连续变量多组份偏振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，具体是一种连续变量多组份偏振纠缠光场的产生装置。
背景技术
量子纠缠是量子力学中的重要内容，也是实现量子信息、量子计算和量子计量的重要资源。连续变量量子纠缠由于其决定性制备、以及测量效率高的优势引起了研究人员的广泛关注。随着量子信息的发展，量子网络成为了目前的研究热点，这对多组份纠缠光场提出了要求。光由于传播速度快，以及与周围环境的相互作用弱，是量子信息传播的理想载体。原子由于其具有较好的相干性、可操控性，可以作为量子信息存储和处理的网络节点。光场的偏振分量和原子的自旋分量相对应，都用斯托克斯矢量来描述，可以直接相互作用，并且测量不需要本地振荡光场，系统结构紧凑。因此，连续变量多组份偏振纠缠光场是量子网络发展的关键。它可以和量子网络中的多个节点相作用，进而实现量子存储。此外，它也可以将光场的偏振态映射到原子的自旋态，使量子网络中的不同节点之间建立纠缠特性，进而在量子网络中传输任意量子态，实现量子互联网。
目前，光学参量放大器是制备连续变量非经典光场的一种有效手段。在2002年，Ping KoyLam等人在PHYSICAL REVIEW LETTERS上发表了“Experimental Demonstration ofContinuous Variable Polarization Entanglement”的论文，该论文首先利用两个由LiNbO3晶体构成的光学参量放大器得到正交压缩光场，然后利用一个光学分束片和两个偏振分束棱镜组成的干涉系统得到连续变量两组份偏振纠缠光场。
上述文章中，他们得到了连续变量两组份偏振纠缠光场。但是，上述文章的光场的波长是1064nm，没有对应的原子吸收线，实用化量子网络要求多组份偏振纠缠光场的波长与原子等物质的吸收线相匹配。其次，上述文章是两束光场之间的偏振纠缠，量子网络对多束光场之间的偏振纠缠提出了要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种频率可调谐，波长与原子吸收线对应的空间分离的多束连续变量偏振纠缠光场。光场偏振分量和原子自旋分量可以直接相互作用，并且它的测量系统不需要本地振荡信号，可以用于量子网络。
本发明设计的一种连续变量多组份偏振纠缠光场的产生装置，包括钛宝石激光器、二次谐波产生器、多个光学参量放大器、干涉系统和多套斯托克斯测量系统。所述的钛宝石激光器产生波长为λ0(该波长与铷原子吸收线相对应)的光场a0，一部分激光作为多个光学参量放大器的信号光场；另一部分激光注入二次谐波产生器得到波长为λp＝λ0/2的光场ap，作为多个光学参量放大器的泵浦光场；多个光学参量放大器分别产生多束波长为λ0的正交振幅或正交位相压缩光场a1，a2，……，aN；干涉系统包括光学分束片干涉系统和偏振分束棱镜干涉系统，通过光学分束片干涉系统得到连续变量多组份正交纠缠光场，再通过偏振分束棱镜转换为连续变量多组份偏振纠缠光场；利用斯托克斯测量系统对光场的偏振分量进行测量，并且验证纠缠特性；
所述的光学参量放大器，包括光学谐振腔和非线性晶体，所述的光学谐振腔的输出耦合镜的透过率为5-6％，所述的非线性晶体为PPKTP晶体；
所述的光学分束片干涉系统由多个光学分束片(如三组份时2个、四组份时3个光学分束片)组成，干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2；
所述的偏振分束棱镜干涉系统由多个偏振分束棱镜组成，如3个、4个、6个、8个或更多的偏振分束棱镜组成，干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2。
所述的钛宝石激光器，具有高输出功率、低噪声特性，可以用于纠缠光场的制备，并且具有频率可调谐特性，可以锁定在原子吸收线。
所述的光学谐振腔采用由两片凹镜构成的驻波腔结构，或采用由两片凹镜和两片平镜构成的四境环行腔结构。
所述的光学参量放大器采用的晶体为PPKTP非线性晶体。在现有技术中光学参量过程可以采用传统的相位匹配晶体。澳大利亚研究组的装置使用了LiNbO3晶体，实现了波长1064nm的光场的非线性作用。LBO晶体常用于波长与铷原子D1吸收线对应的(795nm)的光场的非线性作用。该晶体热效应不明显，可以在高功率条件下使用，已经实现了效率达80％的腔增强的二次谐波产生。但是它的有效非线性系数不高，为0.75pm/V，其次由于存在严重的走离效应，得到的光束质量不好，而且需要在高温条件下运转。近年发展起来的周期极化技术，通过非线性光学系数的周期变化，实现准相位匹配，如PPLN晶体和PPKTP晶体等。这种技术可以利用晶体的最大非线性系数，PPLN晶体的有效非线性系数达到17至18pm/V，PPKTP晶体的有效非线性系数为7至9pm/V，并且在晶体透明波段的任何波长都可通过这种技术实现非线性作用，以及可以有效地解决走离效应，得到好的光束质量。压缩度对光学参量放大器的损耗非常敏感，对损耗的要求很高。PPKTP晶体与PPLN晶体相比，优点是较小的损耗适合用于非经典光场的制备，并且在室温条件下运转。虽然PPKTP晶体存在热效应，但是晶体适用于低泵浦功率的情况，热效应并不明显。综上所述，利用PPKTP晶体的光学参量放大器可以在低泵浦功率、常温下稳定运转得到波长为795nm的较高压缩度、较好光束质量的光场。
所述的光学参量放大器的输出耦合镜的透过率为5-6％，如果该透过率过大，系统的阈值功率将过高，如果该透过率过小，系统产生的光场的压缩度将较小。因此，合适的输出耦合镜透过率可以使光学参量放大器在低泵浦功率条件下稳定运转，得到较高压缩度的光场。
所述的斯托克斯测量系统由λ/2波片，λ/4波片，偏正分束棱镜和功率加、减法器组成。利用斯托克斯测量系统可实现对光场的4个偏振分量进行测量，即利用偏正分束棱镜和功率加法器对斯托克斯分量S0进行测量，利用偏正分束棱镜和功率减法器对斯托克斯分量S1进行测量，利用偏正分束棱镜、λ/2波片和功率减法器对斯托克斯分量S2进行测量，利用偏正分束棱镜、λ/4波片和功率减法器对斯托克斯分量S3进行测量。
本发明设计的连续变量多组份偏振纠缠光场的产生装置与已报道的同类装置相比有以下优点：
1低噪声、可调谐的钛宝石激光器和由PPKTP晶体构成的光学参量放大器可以用于波长为795nm的光场的光学非线性作用。该装置得到的偏振纠缠光场的波长与铷原子D1吸收线相匹配，可以应用于量子存储，及光场和原子的相互作用。
2光学参量放大器使用高有效非线性系数和低损耗、无走离效应的PPKTP晶体，和适当透过率的输出耦合镜，可以在低泵浦功率、常温下稳定运转得到较高压缩度、较好光束质量的光场。
3多个光学参量放大器和干涉系统产生的光场具有空间分离的多束光场之间的连续变量偏振纠缠特性，可以应用于量子网络。
总之，本发明制备了频率可调谐，波长与原子吸收线对应的空间分离的多束连续变量偏振纠缠光场，光场偏振分量和原子自旋分量可以直接相互作用，它的测量系统不需要本地振荡信号，可以实现量子存储和量子网络。
附图说明
图1本发明连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场的产生装置结构示意图。
图2本发明用于连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场的干涉系统结构示意图。
图3本发明连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场的产生装置实验结果图。
图4本发明连续变量四组份GHZ类(Cluster类)偏振纠缠光场的产生装置结构示意图。
图5本发明用于连续变量四组份GHZ类(Cluster类)偏振纠缠光场的干涉系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
实施例1.连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场的产生装置。
如图1所示的一种连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场的产生装置，包括钛宝石激光器1，二次谐波产生器2，三个光学参量放大器31、32、33，干涉系统4和三套斯托克斯测量系统5。
所述的干涉系统4，如图2所示，包括一片1：1光学分束片(BS)、一片1：2光学分束片(BS)和三个偏振分束棱镜(PBS)构成的干涉系统，正交振幅压缩光场a2和正交位相光场a3通过1：2光学分束片干涉，并且控制它们的相对位相差为0，干涉光场的一束再通过1：1光学分束片和正交振幅压缩光场a1干涉，并且控制它们的相对位相差为0，可以得到三组份GHZ类正交纠缠光场，然后通过三个偏振分束棱镜和30倍以上功率的相干光场干涉，并且控制它们的相对位相差为Pi/2，转换为连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场ax，ay和az。
低噪声、可调谐的钛宝石激光器1产生波长为795nm的光场a0，将其分为两部分，一部分激光作为三个光学参量放大器31、32、33的信号光场，另一部分激光注入二次谐波产生器2得到波长为398nm的光场ap，作为三个光学参量放大器的泵浦光场，三个光学参量放大器均由光学谐振腔和非线性晶体构成，光学谐振腔采用由两片凹镜构成的驻波腔结构，输出耦合镜的透过率为5.6％，非线性晶体为PPKTP晶体，三个光学参量放大器工作在常温和低泵浦功率的条件下稳定运转得到较高压缩度、较好光束质量的压缩态光场，其中，第一光学参量放大器31、第二光学参量放大器32分别产生两束波长为795nm的正交振幅压缩光场a1，a2，第三光学参量放大器33产生一束波长为795nm的正交位相压缩光场a3，通过如图2所示光学分束片干涉系统得到连续变量三组份正交纠缠光场，再通过如图2所示偏振分束棱镜干涉系统转换为连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场ax，ay和az，最后利用偏正分束棱镜、λ/2波片和功率减法器对斯托克斯分量S2进行测量，利用偏正分束棱镜、λ/4波片和功率减法器对斯托克斯分量S3进行测量，并且验证纠缠特性。
如果光场的正交分量满足如下下列两个不等式：
<δ2(S3x-S3y)>+<δ2(S2x+S2y+S2z)>≤4
<δ2(S3x-S3z)>+<δ2(S2x+S2y+S2z)>≤4
那么，该光场就被称之为三组份GHZ类偏振纠缠光场。其中，S2和S3分别表示45度方向和右旋圆偏振方向的斯托克斯分量。该实施例子在常温条件下可以得到波长为795nm的连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场。
通常实验结果进行归一化处理，用I1(S3,S2)，I2(S3,S2)表示连续变量偏振分量的关联噪声，分别对应于上述两个不等式,其中：
I 1 ( S 3 , S 2 ) = < &delta; 2 ( S 3 x - S 3 y ) > + < &delta; 2 ( S 2 x + S 2 y + S 2 z ) > 2 | [ S 3 , S 2 ] |
I 2 ( S 3 , S 2 ) = < &delta; 2 ( S 3 x - S 3 z ) > + < &delta; 2 ( S 2 x + S 2 y + S 2 z ) > 2 | [ S 3 , S 2 ] |
连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场的产生装置实验结果如图3所示。图中曲线I表示量子噪声极限，曲线II表示测量得到的三组份偏振分量的关联噪声。图中纵坐标对应于上述归一化的偏振分量关联噪声I1(S3,S2)，I2(S3,S2)，横坐标对应于分析频率，单位是兆赫兹。该关联噪声小于1表明量子纠缠的存在，也就是得到了连续变量三组份GHZ类偏振纠缠光场。
实施例2.连续变量四组份GHZ类或Cluster类偏振纠缠光场的产生装置。
如图4所示的一种连续变量四组份GHZ类偏振纠缠光场的产生装置，包括钛宝石激光器1、二次谐波产生器2、四个光学参量放大器、干涉系统4和四套斯托克斯测量系统5。
所述的干涉系统4，如图5所示，包括三片1：1光学分束片(BS)和四个偏振分束棱镜(PBS)构成的干涉系统，正交振幅压缩光场a2和a3通过1：1光学分束片干涉，并且控制它们的相对位相差为Pi/2，干涉光场的一束再通过1：1光学分束片和正交位相压缩光场a1干涉，并且控制它们的相对位相差为0，干涉光场的另一束再通过1：1光学分束片和正交位相压缩光场a4干涉，并且控制它们的相对位相差为0(或Pi/2)，可以得到四组份GHZ类(Cluster类)正交纠缠光场，通过控制光学学分束器的干涉位相差可以得到不同的关联类型，然后通过四个偏振分束棱镜和30倍以上功率的相干光场干涉，并且控制相对位相差为Pi/2，转换为连续变量四组份GHZ类(Cluster类)偏振纠缠光场ax，ay，az和aw。
低噪声、可调谐的钛宝石激光器1产生波长为795nm的光场a0，将其分为两部分，一部分激光作为四个光学参量放大器31、32、33、34的信号光场，另一部分激光注入二次谐波产生器2得到波长为398nm的光场ap，作为四个光学参量放大器的泵浦光场，四个光学参量放大器均由光学谐振腔和非线性晶体构成，光学谐振腔采用由两片凹镜构成的驻波腔结构，输出耦合镜的透过率为5.6％，非线性晶体为PPKTP晶体，四个光学参量放大器工作在常温和低泵浦功率的条件下稳定运转得到较高压缩度、较好光束质量的压缩态光场，其中，第二光学参量放大器32、第三光学参量放大器33分别产生两束波长为795nm的正交振幅压缩光场a2，a3，第一光学参量放大器31、第四光学参量放大器34分别产生两束波长为795nm的正交位相压缩光场a1，a4，通过如图5所示光学分束片干涉系统得到连续变量四组份正交纠缠光场，再通过如图5所示偏振分束棱镜干涉系统转换为连续变量四组份GHZ类或者Cluster类偏振纠缠光场ax，ay，az和aw，最后利用偏正分束棱镜、λ/2波片和功率减法器对斯托克斯分量S2进行测量，利用偏正分束棱镜、λ/4波片和功率减法器对斯托克斯分量S3进行测量，并且验证纠缠特性。
如果光场的正交分量满足如下下列三个不等式：
<δ2(S2x-S2y)>+<δ2(S3x+S3y+S3z+S3w)>≤1
<δ2(S2y-S2z)>+<δ2(S3x+S3y+S3z+S3w)>≤1
<δ2(S2z-S2w)>+<δ2(S3x+S3y+S3z+S3w)>≤1
那么，该光场就被称之为四组份GHZ类偏振纠缠光场。
如果光场的正交分量满足如下下列三个不等式：
<δ2(S3x+S3y+S3z)>+<δ2(S2x-S2y)>≤1
<δ2(S3z-S3w)>+<δ2(-S2y+S2z+S2w)>≤1
<δ2(S3x+S3y+2S3z)>+<δ2(-2S2y+S2z+S2w)>≤2
那么，该光场就被称之为四组份Cluster类偏振纠缠光场。该实施例子在常温条件下可以得到波长为795nm的连续变量四组份GHZ类或Cluster类偏振纠缠光场。
本发明的核心是一种产生连续变量多组份偏振纠缠光场的装置。该发明利用光学参量放大器产生正交压缩光场，再通过干涉系统得到连续变量多组份偏振纠缠光场。该装置在常温条件下可以稳定产生一种波长与原子吸收线对应的，空间分离的多组份连续变量偏振纠缠光场，便于直接和原子自旋相互作用、测量系统不需要本地振荡信号等优点，并且可以应用于量子网络。

Claims (3)

1.一种连续变量多组份偏振纠缠光场的产生装置，其特征在于，包括钛宝石激光器(1)、二次谐波产生器(2)、多个光学参量放大器、干涉系统(4)和多套斯托克斯测量系统(5)；所述的钛宝石激光器(1)产生波长为λ0的光场a0，一部分激光作为多个光学参量放大器的信号光场；另一部分激光注入二次谐波产生器(2)得到波长为λp＝λ0/2的光场ap，作为多个光学参量放大器的泵浦光场；多个光学参量放大器分别产生多束波长为λ0的正交振幅或正交位相压缩光场a1，a2，……，aN；干涉系统(4)包括光学分束片干涉系统和偏振分束棱镜干涉系统，通过光学分束片干涉系统得到连续变量多组份正交纠缠光场，再通过偏振分束棱镜转换为连续变量多组份偏振纠缠光场；利用斯托克斯测量系统(5)对光场的偏振分量进行测量，并且验证纠缠特性；
所述的光学参量放大器，包括光学谐振腔和非线性晶体，所述的光学谐振腔的输出耦合镜的透过率为5-6％，所述的非线性晶体为PPKTP晶体；
所述的光学分束片干涉系统由多个光学分束片组成，干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2；
所述的偏振分束棱镜干涉系统由多个偏振分束棱镜组成，干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2。
2.所述的光学谐振腔的结构，是由两片凹镜构成的驻波腔结构，或采用由两片凹镜和两片平镜构成的四境环行腔结构。
3.所述的斯托克斯测量系统(5)由λ/2波片，λ/4波片，偏正分束棱镜和功率加、减法器组成。
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