CN104752944A - 一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置，该装置包括：泵浦激光单元、晶体单元、滤波单元以及收集分析单元，其中：泵浦激光单元用于产生晶体单元的自发参量下转换过程所需要的泵浦光；晶体单元用于接收由泵浦激光单元射出的泵浦光并利用自发参量下转换过程产生携带轨道角动量信息的高维度量子纠缠光源；滤波单元用于滤除高维度量子纠缠光源中的泵浦光并压窄所述高维度量子纠缠光源的线宽；收集分析单元用于收集经滤波单元处理后的窄线宽高维度量子纠缠光源并测量窄线宽高维度量子纠缠光源的纠缠特性。本发明具有调节方便、高维度关联等特点，可用于量子通信、量子网络、量子密码、量子物理检验等诸多应用领域。

Description

一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置。

背景技术

在量子通信领域中，实现量子网络是一个重要的目标，量子网络的构建主要包含了以下几个部分：可以携带信息的量子光源，可以传播信息的信道，可以储存并发送信息的中继，可以接收信息的终端。其中量子光源的设计是必不可少的环节，通常所说的量子光源包含了量子纠缠光源和单光子源，其中纠缠光源可以利用各种非线性晶体的参量下转换过程产生，其保真度和产生效率都可以做得很高。

自发参量下转换过程基于非线性过程，单色泵浦光子流和量子真空噪声对非中心对称非线性晶体的综合作用，导致了在光的自发参量下转换过程中，一个高频光子在非线性晶体内会以某一概率自发地分裂为两个低频光子，分别称为信号光子和闲置光子。参量下转换过程应满足能量守恒、动量守恒以及轨道角动量守恒，当条件合适时，产生的信号光子和闲置光子可以在频率上简并。由于晶体的双折射导致不同偏振的光在晶体内的折射率不同，同时晶体的色散作用使得在某些晶体中可以满足相位匹配条件，因而可以通过选择适当的非线性晶体材料来实现自发参量下转换。考虑到量子网络包含基于各种物理系统的量子节点，它对量子光源的一个重要要求是光源可调谐且线宽较窄易于匹配。自发参量下转换光源易于调谐，而压窄线宽则通常采用谐振腔的方式实现。

光子作为一种非常优秀的量子信息的载体，它可以携带多种自由度的信息。比如偏振、相位、时间-能量纠缠、轨道角动量等。目前主要的纠缠光源是基于偏振维度的，然而轨道角动量自由度具有偏振自由度无法实现的高维度特性，下面简单介绍这两种纠缠光源：

1、偏振纠缠光源

参量下转换过程在偏振维度上可以分为I型和II型两种，其中I型信号光子和闲置光子偏振相同，II型信号光子和闲置光子偏振正交。

最常用的光源是采用非共线II型晶体，如BBO晶体(β-偏硼酸钡晶体)，输出光子对的偏振垂直，正对晶体看时光子的轨迹为两相交圆环。由于能量以及动量守恒，共轭的光子对只会出现在两圆环和泵浦激光中心对称的两个点上。因此收集相交两点处的光子对就能得到偏振纠缠的光源。

对于共线II型晶体，由于信号光和闲散光的偏振正交，所以可以用偏振分束器将两者分开，操作方便且亮度高，如PPKTP晶体(周期性极化磷酸氧钛钾晶体)，其亮度比传统BBO晶体大约高出一个量级。

还有一种纠缠光子源可采用I型相位匹配，需要两块光轴方向互相垂直的I型晶体，其中第一块晶体光轴和泵浦激光组成竖直平面，第二块晶体光轴和泵浦激光组成水平平面。利用45°偏振的光泵浦晶体，同时收集到两块晶体的光即可得到偏振纠缠光源。但为使得能够同时收集到两块晶体的光而不需要空间补偿，晶体厚度必须很薄，并且和普通II型非共线纠缠光子源类似，只能收集到两圆环上一小部分下转换光子，因此亮度较低。

2、轨道角动量纠缠光源

轨道角动量自由度具有其独特的优势，它描述了光子波前的横向分布，原则上具有不受限制的量子数，所以理论上可以是无穷维的。携有轨道角动量的光子可以在柱坐标里用拉盖尔-高斯模式(LG_pl)来描述，其中，参数l表示角向量子数，参数p表示径向量子数，这里只考虑p＝0的情况。在光子的轨道角动量维度上，用LG模式来编码光子，其本征态可以用角向量子数l来定义。在具有l角向量子数的光束中，每个光子携带的轨道角动量值为lh/2π，参数h表示普朗克常数，而其中高斯模式可以看作LG₀₀。

对于利用非线性晶体的参量下转换过程，根据角动量守恒定律，若入射的泵浦光的模式为高斯模，即轨道角动量为0，则下转换产生的信号光子和闲置光子的轨道角动量的和也为0，此时两光子可产生轨道角动量维度的纠缠，光子对态函数可用以下形式描述：

|ψ〉＝c_-1|-1〉|1〉+c₀|0〉|0〉+c₁|1〉|-1〉+…

这里|ci|²(i＝-1，0，1)是产生的光子对相应态所对应的概率。理论上产生的纠缠可以是无穷维，但是若晶体的准相位匹配是按照高斯模式优化，高阶分量随阶数增大而逐步减少，所以暂时将纠缠光源的维度限制在三维。更高维的纠缠光源可通过对高阶分量优化准相位匹配来实现。

对光子的轨道角动量的操作有很多方法，如螺旋相位片、分叉光栅、数字微镜阵列、空间光调制器等，其中，空间光调制器的使用相对方便简单，它可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅、强度或相位，可以制作相位片和分叉光栅，甚至更复杂的图形。

发明内容

本发明的目的是提供一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置，其扩展性较高，且易于与其它量子系统相互作用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置，该装置包括：泵浦激光单元、晶体单元、滤波单元以及收集分析单元，其中：

所述泵浦激光单元用于产生所述晶体单元的自发参量下转换过程所需要的泵浦光；

所述晶体单元用于接收由所述泵浦激光单元射出的泵浦光并利用自发参量下转换过程产生携带轨道角动量信息的高维度量子纠缠光源；

所述滤波单元用于滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光并压窄所述高维度量子纠缠光源的线宽；

所述收集分析单元用于收集经所述滤波单元处理后的窄线宽高维度量子纠缠光源并测量所述窄线宽高维度量子纠缠光源的纠缠特性。

可选地，所述泵浦激光单元包括：连续激光器和倍频器，其中：

所述连续激光器用于产生连续可调谐的激光；

所述倍频器用于将所述连续激光器产生的激光进行倍频处理，产生用于所述晶体单元自发参量下转换过程所需要的泵浦光。

可选地，所述连续激光器为连续钛宝石激光器。

可选地，所述晶体单元包括：PPKTP晶体和控温装置，其中：

所述PPKTP晶体用于基于所述泵浦激光单元射出的泵浦光，利用自发参量下转换过程产生携带轨道角动量信息的高维度纠缠光子对的两个偏振正交的下转换光束，即高维度量子纠缠光源；

所述控温装置用于对于所述PPKTP晶体的温度进行精细调节。

可选地，所述滤波单元包括：二向色镜、滤波片和标准具组，其中：

所述二向色镜用于将所述晶体单元中的PPKTP晶体产生的高维度量子纠缠光源与泵浦光分开；

所述滤波片用于进一步滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光；

所述标准具组用于在频率域上滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光，同时压窄所述高维度量子纠缠光源的线宽。

可选地，所述标准具组包括两个标准具。

可选地，第一个标准具的透过线宽为700MHz，自由光谱程为50GHz，第二个标准具的透过线宽为1.5GHz，自由光谱程为105GHz。

可选地，所述收集分析单元包括：偏振分束器、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第一可调节透镜组、第二可调节透镜组、第一单模光纤、第二单模光纤和单光子计数与符合装置，其中：

所述偏振分束器用于将经所述滤波单元处理后的窄线宽高维度量子纠缠光源中偏振正交的两个下转换光束分为第一路光束和第二路光束；

所述第一空间光调制器用于操作所述第一路光束的轨道角动量，将光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式以备送入第一单模光纤中投影探测；

所述第二空间光调制器用于操作所述第二路光束的轨道角动量，将光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式以备送入第二单模光纤中投影探测；

所述第一可调节透镜组用于改变所述第一路光束中不同角动量光子的发散情况，配合第一单模光纤收集可平衡所述窄线宽高维度纠缠光源中不同轨道角动量光子所占比例；

所述第二可调节透镜组用于改变所述第二路光束中不同角动量光子发散情况，配合第二单模光纤收集可平衡所述窄线宽高维度纠缠光源中不同轨道角动量光子所占比例；

所述第一单模光纤用于与所述第一空间光调制器配合收集所述第一路光束，并将所述第一路光束的光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述第二单模光纤用于与所述第二空间光调制器配合收集所述第二路光束，并将所述第二路光束的光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述单光子计数与符合装置用于对两路光束分别进行单光子计数，然后进行时间关联的光子计数分析。

可选地，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器为纯相位调制器。

可选地，所述第一单模光纤和第二单模光纤为780HP型单模光纤。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，将连续激光器经过倍频后产生的泵浦光在晶体单元中通过自发参量下转换产生预报光子对，经过滤波单元滤除泵浦光同时压窄线宽，最后通过收集分析单元对光源进行分析，可得到窄线宽高维度量子纠缠光源。上述技术方案所采用的设备易于操作、稳定性高、可扩展性强，所得到光源的线宽窄且纠缠特性优良。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明一实施例提供的一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置的工作原理示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种PPKTP温度与光源中光子对的不同角动量产生的比例关系示意图；

图4为本发明一实施例提供的一可调节透镜组间距与单模光纤收集的光源中光子对的不同角动量分量关系示意图；

图5为本发明一实施例提供的一种未加标准具滤波前重构的两光子态密度矩阵的示意图；

图6为本发明一实施例提供的一种加标准具组后同时PPKTP温度优化后重构的两光子态密度矩阵的示意图；

图7为本发明一实施例提供的一种加标准具组后同时PPKTP温度以及可调节透镜组间距优化后重构的两光子态密度矩阵的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为根据本发明一实施例提供的一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置的结构示意图。如图1所示，所述窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置包括：泵浦激光单元11、晶体单元12、滤波单元13以及收集分析单元14，其中：

所述泵浦激光单元11，用于产生所述晶体单元12的自发参量下转换过程所需要的泵浦光；

所述晶体单元12，用于接收由所述泵浦激光单元11射出的泵浦光并利用自发参量下转换过程产生携带轨道角动量信息的高维度量子纠缠光源；

所述滤波单元13，用于滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光并压窄所述高维度量子纠缠光源的线宽，同时也提高了所述高维度量子纠缠光源的纠缠度；

所述收集分析单元14，用于收集经所述滤波单元13处理后的窄线宽高维度量子纠缠光源并测量所述窄线宽高维度量子纠缠光源的纠缠特性。

进一步的，所述泵浦激光单元11包括：连续激光器111和倍频器112，其中：

所述连续激光器111，用于产生连续可调谐的激光；

所述倍频器112，用于将所述连续激光器111产生的激光进行倍频处理，产生用于所述晶体单元12中的PPKTP晶体121自发参量下转换过程所需要的泵浦光。

进一步的，所述晶体单元12包括：PPKTP晶体121和控温装置122，其中：

所述PPKTP晶体121，用于基于所述泵浦激光单元11射出的泵浦光，利用自发参量下转换过程产生携带轨道角动量信息的高维度纠缠光子对的两个偏振正交的下转换光束，即高维度量子纠缠光源；

所述控温装置122，用于对于所述PPKTP晶体121的温度进行精细调节，进而可调节自发参量下转换过程的产生效率，也可调节不同维度轨道角动量光子的产生概率，从而影响光源纠缠度。

进一步的，所述滤波单元13包括：二向色镜131、滤波片132和标准具组133，其中：

所述二向色镜131，用于将所述晶体单元12中的PPKTP晶体121产生的高维度量子纠缠光源与泵浦光分开；

所述滤波片132，用于进一步滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光；

所述标准具组133，用于进一步在频率域上滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光，同时压窄所述高维度量子纠缠光源的线宽。

进一步的，所述收集分析单元14包括：偏振分束器141、第一空间光调制器142、第二空间光调制器143、第一可调节透镜组144、第二可调节透镜组145、第一单模光纤146、第二单模光纤147和单光子计数与符合装置148，其中：

所述偏振分束器141，用于将经所述滤波单元13处理后的窄线宽高维度量子纠缠光源中偏振正交的两个下转换光束分为第一路光束和第二路光束；

所述第一空间光调制器142，用于操作所述第一路光束的轨道角动量，将光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式以备送入第一单模光纤146中投影探测，其中，测量基可选为|-1〉，|0〉，|1〉或者其中两者的叠加态；

所述第二空间光调制器143，用于操作所述第二路光束的轨道角动量，将光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式以备送入第二单模光纤147中投影探测，其中，测量基可选为|-1〉，|0〉，|1〉或者其中两者的叠加态；

所述第一可调节透镜组144，用于改变所述第一路光束中不同角动量光子的发散情况，配合第一单模光纤146收集可平衡所述窄线宽高维度纠缠光源中不同轨道角动量光子所占比例，从而优化光源的纠缠度；

所述第二可调节透镜组145，用于改变所述第二路光束中不同角动量光子发散情况，配合第二单模光纤147收集可平衡所述窄线宽高维度纠缠光源中不同轨道角动量光子所占比例，从而优化光源的纠缠度；

所述第一单模光纤146，用于与所述第一空间光调制器142配合收集所述第一路光束，并将所述第一路光束的光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述第二单模光纤147，用于与所述第二空间光调制器143配合收集所述第二路光束，并将所述第二路光束的光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述单光子计数与符合装置148，用于对两路光束分别进行单光子计数，然后进行时间关联的光子计数分析。

本发明该实施例利用了PPKTP晶体的自发参量下转换过程，产生的具有轨道角动量维度信息的高维度量子纠缠光源，又通过滤波单元压窄其线宽，最终得到窄线宽高维度量子纠缠光源，通过收集分析单元进行分析可知，所产生光源的纠缠特性优良，纠缠度高。上述技术方案所采用的设备便于操作、稳定性高、可扩展性强。

为了进一步介绍本发明，接下来对于所述窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置中的元件参数进行介绍。需要说明的是，下文中所例举的元件参数数值仅为便于理解本发明，并非构成限制；在实际应用中，用户可以根据需求或经验采用不同参数的元件。

如图2所示，为本发明一实施例提供的一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置的工作原理示意图。如图2所示，其包括：

1)440nm泵浦激光单元21；

其主要包括：连续可调谐激光器211和倍频器212。

本实施例中，连续可调谐激光器211为连续钛宝石激光器，它输出880nm的稳频激光，其功率达3.5W，线宽为100kHz量级。激光可调谐范围为700-1000nm。输出的激光利用PDH锁频技术锁定向一个超稳定的参考FP腔，以克服温度变化引起的长期漂移，使系统连续工作的稳定性增强。

本实施例中，倍频器212可以将来自连续可调谐激光器211的波长为880nm的激光进行倍频处理，产生440nm的激光。

该泵浦光通过单模光纤滤除连续激光器211的残余光，然后通过光纤准直透镜发射，与PPKTP晶体221产生自发参量下转换过程，在PPKTP晶体221上泵浦光光斑直径为28um。

2)PPKTP晶体单元22；

其主要包括：PPKTP晶体221和控温装置222。

本实施例中，PPKTP晶体221的参数可以为：长度为20mm，截面为1mm×2mm，沿Y轴向切割，其周期性极化长度为18.1um，晶体光参量振荡的波长为440nm到880nm，对这两种波长都镀有增透膜，反射率R＜0.5％。

其中温度对于该晶体的自发参量下转换过程非常重要，如图3所示，44℃为晶体产生高斯模式光的最佳相位匹配温度，在此温度产生的参量光光子对亮度最高，但是产生的高斯模式LG模式的概率严重不平衡，这将导致光源的纠缠度很低。为了平衡参量光亮度以及光源的纠缠度，在本实施例中，将晶体温度置于41.25℃，此温度位于LG_0±1模式的最佳相位匹配温度附近。

本实施例中，控温装置222用于精细调节PPKTP晶体221的温度，它的调节范围为20℃至199℃，调节精度为0.01℃，温度稳定度＜0.01℃。

3)滤波单元23；

其主要包括：二向色镜231、滤波片232和标准具组233。

本实施例中，二向色镜231，用于将所述PPKTP晶体221自发参量下转换所产生的光束与泵浦光分开，该二向色镜工作在45°附近，可以通过880nm的参量光，反射440nm的泵浦光，从而将泵浦光与参量光在空间上分开。

本实施例中，滤波片232可以继续滤除光源中的泵浦光，以减少泵浦光噪声。该滤波片参数为：透过带宽为5nm，中心波长为880nm。

本实施例中，标准具组233采用两个标准具，第一个标准具参数为：透过线宽为700MHz，自由光谱程为50GHz，第二个标准具参数为：透过线宽为1.5GHz，自由光谱程为105GHz，经过标准具组后光源的线宽可被压窄至700MHz。

4)收集分析单元24。

其主要包括：偏振分束器241、第一空间光调制器242、第二空间光调制器243、第一可调节透镜组244、第二可调节透镜组245、第一单模光纤246、第二单模光纤247和单光子计数与符合装置248。

本实施例中，偏振分束器241用于将经滤波单元23处理后的纠缠光源中偏振正交的两束光分为第一路光束和第二路光束，其镀有420～680nm增透膜，形状为立方体，边长为20mm。

所述第一空间光调制器242为纯相位调制器，该空间光调制器的参数为：效率高于90％，像素元大小为15um*15um，512*512像素。它用于改变第一路光束的轨道角动量，配合单模理论上可以探测光束的任意阶轨道角动量。

所述第二空间光调制器243为纯相位调制器，该空间光调制器的参数为：效率高于90％，像素元大小为15um*15um，512*512像素。它用于改变第二路光束的轨道角动量，配合单模理论上可以探测光束的任意阶轨道角动量。

所述第一可调节透镜组244，包括一对焦距为100mm的透镜，用于改变第一路光束中不同角动量光子发散情况，以提高光源纠缠度。

所述第二可调节透镜组245，包括一对焦距为100mm的透镜，用于改变第二路光束中不同角动量光子发散情况，以提高光源纠缠度。

如图4所示，同时等距改变第一可调节透镜组、第二可调节透镜组可改变高斯模和LG_0±1模光束的收集效率，图中透镜相对位置为0处为高斯模的最优收集位置，但此时高斯模与LG_0±1收集比例严重不平衡，导致光源的纠缠度很低，当透镜相对位置为高斯模式最优匹配位置加3.25mm时，光源纠缠度最高。

所述第一单模光纤246为780HP型单模光纤，用于收集第一路光束，它可以将光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影。

所述第二单模光纤247为780HP型单模光纤，用于收集第二路光束，它可以将光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影。

所述单光子计数与符合装置248为硅基雪崩光电二极管单光子探测器及皮秒时间分析仪，用于对两路光束分别做单光子计数，然后进行时间关联的光子计数分析。单光子探测器的指标可以为暗记数小于200个每秒，探测效率为30％，结合皮秒时间分析仪的时间分辨精度可以为300皮秒。

在本实施例中，为衡量光源的纠缠特性，可以采用量子态层析重构态密度矩阵；为优化光源的纠缠度，可以调节PPKTP晶体221的温度，调节第一调节透镜组244和第二调节透镜组245的相对位置，加入标准具组233。图5所示为未加标准具，晶体温度处于常规高斯模式优化下的44度，透镜间距针对LG模式优化所得的密度矩阵，该量子态对最大纠缠态保真度达0.54。图6所示为加入标准具组且晶体温度调至42度后所得的密度矩阵，该量子态对最大纠缠态保真度达0.67。图7为进一步优化晶体温度至41.25度后所得的最终态，该量子态对最大纠缠态保真度达0.74。从以上三个图例中可看到光源纠缠度逐步提高，基于最终优化的光源，本发明还检验了高维的Bell不等式，得到的实验违背为2.15±0.03，大于2的经典极限。这进一步验证了光子对之间高维度的非局域纠缠特性，充分证明了本发明高维度量子纠缠光源的优良品质，有望在量子通信和量子物理检验等领域获得重要的应用。

本发明实施例中的窄线宽高维度量子纠缠光源，利用PPKTP晶体的自发参量下转换过程和光子的轨道角动量守恒，产生了轨道角动量维度的高维度纠缠光源。由于参量下转换产生的l＝±2阶及以上分量很少，所以本发明将光源的维度限制在三阶。只需放松泵浦光聚焦情况，即可获得更高维度的量子纠缠源，但光源亮度会略有下降。

进一步的，本发明实施例中创造性利用了标准具组来对光源的线宽进行压窄。自发参量下转换产生的参量光光子对频率分布在THz量级，然而若要将量子光源与其它量子器件匹配，如与量子存储对接实现量子中继器，则需要线宽匹配，这就需要将参量光光源的线宽压窄。传统的压窄线宽的手段是采用平凹谐振腔增强参量光，但是LG模式在平凹腔中是非简并的，故无法实现高维纠缠光源。本发明采用的标准具是平面腔，不同于平凹腔，它对光的所有横模简并，因此该标准具组可实现任意高维纠缠光源的线宽压窄。另外标准具组包含两个标准具，由于其平均自由程完全错开，这样可以明显减少边带引入的噪声，提高了光源的质量。值得注意的是，加入的标准具组除了能够压窄光源线宽，还能够提高光源的纠缠度。

进一步地，本发明创造性地利用了PPKTP晶体产生不同轨道角动量分量的概率对于温度的敏感性，来控制不同轨道角动量光子的产生比例，通过调节晶体温度可以提高LG_0±1模式所占的比例，此举虽然稍稍降低了光源亮度，但是可以大大提高光源的纠缠度。

进一步地，本发明利用了不同轨道角动量光子的发散情况不同，在通过空间光调制器进入单模之前，调节单模光纤收集前的收集调节透镜组，从而进一步提高了LG_0±1模式收集的比例，进而提高了光源的纠缠度。

总而言之，本发明利用PPKTP晶体参量下转换过程实现了光子轨道维度的高维度纠缠光源。通过一系列创新的设计，使得本发明和之前类似设计相比，在提升了系统的易用性与稳定性的同时，大大压窄了光源的线宽，并明显的提高了光源的纠缠度。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种窄线宽高维度量子纠缠光源产生装置，其特征在于，该装置包括：泵浦激光单元、晶体单元、滤波单元以及收集分析单元，其中：

所述泵浦激光单元用于产生所述晶体单元的自发参量下转换过程所需要的泵浦光；

所述晶体单元用于接收由所述泵浦激光单元射出的泵浦光并利用自发参量下转换过程产生携带轨道角动量信息的高维度量子纠缠光源；

所述滤波单元用于滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光并压窄所述高维度量子纠缠光源的线宽；

所述收集分析单元用于收集经所述滤波单元处理后的窄线宽高维度量子纠缠光源并测量所述窄线宽高维度量子纠缠光源的纠缠特性。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泵浦激光单元包括：连续激光器和倍频器，其中：

所述连续激光器用于产生连续可调谐的激光；

所述倍频器用于将所述连续激光器产生的激光进行倍频处理，产生用于所述晶体单元自发参量下转换过程所需要的泵浦光。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连续激光器为连续钛宝石激光器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述晶体单元包括：PPKTP晶体和控温装置，其中：

所述PPKTP晶体用于基于所述泵浦激光单元射出的泵浦光，利用自发参量下转换过程产生携带轨道角动量信息的高维度纠缠光子对的两个偏振正交的下转换光束，即高维度量子纠缠光源；

所述控温装置用于对于所述PPKTP晶体的温度进行精细调节。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滤波单元包括：二向色镜、滤波片和标准具组，其中：

所述二向色镜用于将所述晶体单元中的PPKTP晶体产生的高维度量子纠缠光源与泵浦光分开；

所述滤波片用于进一步滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光；

所述标准具组用于在频率域上滤除所述高维度量子纠缠光源中的泵浦光，同时压窄所述高维度量子纠缠光源的线宽。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述标准具组包括两个标准具。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，第一个标准具的透过线宽为700MHz，自由光谱程为50GHz，第二个标准具的透过线宽为1.5GHz，自由光谱程为105GHz。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集分析单元包括：偏振分束器、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第一可调节透镜组、第二可调节透镜组、第一单模光纤、第二单模光纤和单光子计数与符合装置，其中：

所述偏振分束器用于将经所述滤波单元处理后的窄线宽高维度量子纠缠光源中偏振正交的两个下转换光束分为第一路光束和第二路光束；

所述第一空间光调制器用于操作所述第一路光束的轨道角动量，将光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式以备送入第一单模光纤中投影探测；

所述第二空间光调制器用于操作所述第二路光束的轨道角动量，将光子的轨道角动量量子态转换为高斯模式以备送入第二单模光纤中投影探测；

所述第一可调节透镜组用于改变所述第一路光束中不同角动量光子的发散情况，配合第一单模光纤收集可平衡所述窄线宽高维度纠缠光源中不同轨道角动量光子所占比例；

所述第二可调节透镜组用于改变所述第二路光束中不同角动量光子发散情况，配合第二单模光纤收集可平衡所述窄线宽高维度纠缠光源中不同轨道角动量光子所占比例；

所述第一单模光纤用于与所述第一空间光调制器配合收集所述第一路光束，并将所述第一路光束的光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述第二单模光纤用于与所述第二空间光调制器配合收集所述第二路光束，并将所述第二路光束的光子的轨道角动量量子态向高斯模式上投影；

所述单光子计数与符合装置用于对两路光束分别进行单光子计数，然后进行时间关联的光子计数分析。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一空间光调制器和第二空间光调制器为纯相位调制器。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一单模光纤和第二单模光纤为780HP型单模光纤。