CN104880257B - 基于强弱联合测量的光脉冲特性快速探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于强弱联合测量的光脉冲特性快速探测系统。技术方案是：包括光脉冲调节装置、弱测量装置、强测量装置、信息读取装置，其特征在于，在光脉冲调节装置和弱测量装置之间还包括n级分束器组，第n级分束器组包括2^n‑1个50/50分束器；从光脉冲调节装置出射的光进入第一级分束器组，第一级分束器组的出射光为两束特性相同的光，并且分别进入第二级分束器组的2个50/50分束器；以此类推，共出射2ⁿ束特性相同的分束光，每条分束光依次经过一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置。本发明在测量精度变化不大的情况下，能够避免探测系统的光路频繁调整，大大缩短获取光脉冲量子态的时间。

Description

基于强弱联合测量的光脉冲特性快速探测系统

技术领域

本发明涉及一种测量光脉冲特性的探测器。本发明是一个用于探测光脉冲量子态的系统，其特点是结合使用强测量和弱测量方法，并且可以快速得到测量结果。

背景技术

在量子力学中，一般认为单个粒子的量子态，原则上不可用实验来测定。然而，测量通过物理实验制备的由许多粒子组成的系综的量子态是有意义的而且是必要的。单光子探测是弱光测量技术的核心，在量子信息领域具有关键作用。然而，传统的以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的输出只是光子的计数值，而非光子的量子态，这限制了该探测器的使用范围。另外，目前存在可测量单光子的Wigner函数的探测器，而Wigner函数与波函数等价，波函数是描述纯态形式的量子态的一种方式，从而该探测器可以获取单光子的纯态形式的量子态。

单光子量子态若限制在有限的时间和空间分布内，则表现为一个光脉冲。测量光脉冲的量子态是一个十分重要的课题，其有效途径之一是借助线性光学系统的实验元器件。因为该系统无需真空或绝对零度等极端条件就能展现量子特性，且设备成熟，观测效果明显，并且现有技术中关于光学系统的理论和实验经验已非常丰富。

目前已经存在结合使用强测量和弱测量技术，探测光脉冲量子态的方法。强测量一般是指使被测系统的量子状态塌缩的测量，例如投影测量、POVM(Positive-OperatorValued Measure，正算符值测量)等。传统的投影测量的特点是被测系统与测量仪器的耦合程度高，经测量后，被测系统会塌缩至测量算子的本征态之一，测量仪器呈现出与该本征态相对应的本征值。POVM需要利用投影测量的部分结果，所以该测量也会使量子状态塌缩。然而，弱测量与强测量方式不一样，其特点是被测系统与测量仪器的耦合程度低，经测量后，被测系统的状态不会塌缩。利用弱测量和强测量相结合的方式探测光脉冲量子态的优势在于，可同时得到相对精确的不对易物理量的观测值，这是仅仅使用强测量方式所无法完成的。

现有的结合使用弱测量和强测量技术，探测光脉冲量子态的方案可查阅文献JeffS.Lundeen,Brandon Sutherland,Aabid Patel,Corey Stewart,Charles Bamber.Directmeasurement of the quantum wavefunction[J].Nature,2011,474:188-191和CharlesBamber,Jeff S.Lundeen.Observing dirac’s classical phase space analog to thequantum state[J].Physical Review Letters,2014,112:070405。上述文献公开的现有技术方案包括一个光脉冲调节装置、一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置，待测量的光脉冲依次经过上述装置，最后得到测量结果。现有技术方案的原理结构图如图1所示。

尽管现有技术已经能够有效探测光脉冲量子态，但测量过程需要频繁调整光路，获取最终结果的时间过长。现有技术采用的方法是，首先，在信息读取环节，一个测量时间段仅记录一个投影方向的结果，通过四次调整投影测量的方向，得到所需的四个不同测量基下的数据；其次，经过上述四次调整投影方向得到的数据仅代表光脉冲直线分布上一个点的量子态，还需通过不断移动执行弱测量的元器件位置，得到对应于直线上其它点的数据，才能最终获得光脉冲量子态的一维直线分布结果。

发明内容

针对现有技术中存在的测量过程繁琐，获取信息时间过长的不足，本发明要解决的技术问题是，在测量精度变化不大的情况下，避免探测系统的光路频繁调整，大大缩短获取光脉冲量子态的时间。

本发明的技术方案如下：

本发明是一个测量光脉冲量子态的探测系统，包括光脉冲调节装置、弱测量装置、强测量装置、信息读取装置，其特征在于，在光脉冲调节装置和弱测量装置之间还包括n级分束器组，第n级分束器组包括2^n-1个50/50分束器，其中n为分束器组的级数，其取值满足I·2^-n≥5σ，I为待测光脉冲的光强，σ为信息读取装置的噪声水平；从光脉冲调节装置出射的光进入第一级分束器组，并且该光与第一级分束器组的50/50分束器的分束面的夹角为45°；第一级分束器组的出射光为两束特性相同的光，并且分别进入第二级分束器组的2个50/50分束器，上述出射光分别与对应的50/50分束器的分束面的夹角为45°；以此类推，经过n级分束器组的n级分束，共出射2ⁿ束特性相同的分束光，每条分束光依次经过一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置。

进一步地，光脉冲调节装置包括位于同一光轴依次放置的一个相位置零器、一个偏振置零器、一个空间分布放大器；其中，相位置零器为Babinet-Soleit补偿器，偏振置零器为偏振片，空间分布放大器包括两块凸透镜。

更进一步，弱测量装置包括一块半波片、一块透光片和两块遮光板；其中，两块遮光板相对平行放置；透光片位于两块遮光板之间；透光片的有效通光平面垂直于光传播方向；半波片位于透光片的有效通光平面之前，且半波片的面积远远小于透光片的面积，半波片改变入射光偏振方向的角度满足

更进一步，强测量装置包括一块傅里叶透镜。

更进一步，信息读取装置包括三个50/50分束器、一个+45°线偏振光偏振器、一个-45°线偏振光偏振器、一个右旋圆偏振光偏振器、一个左旋圆偏振光偏振器、四块凹透镜和四个集成阵列CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)；进入信息读取装置的光首先经过三个50/50分束器被分成四束特性相同的光；其中，第一束光依次通过+45°线偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD；第二束光依次通过-45°线偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD；第三束光依次通过右旋圆偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD；第四束光依次通过左旋圆偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD。

更进一步，信息读取装置的另一种方案包括一个通光小孔、一块凸透镜、三个50/50分束器、一个+45°线偏振光偏振器、一个-45°线偏振光偏振器、一个右旋圆偏振光偏振器、一个左旋圆偏振光偏振器、四个光电探测器；进入信息读取装置的光依次经过通光小孔、凸透镜；其中，凸透镜与通光小孔相距一个焦距；该光再经过三个50/50分束器被分成四束特性相同的光；其中，第一束光依次通过+45°线偏振光偏振器、一个光电探测器；第二束光依次通过-45°线偏振光偏振器、一个光电探测器；第三束光依次通过右旋圆偏振光偏振器、一个光电探测器；第四束光依次通过左旋圆偏振光偏振器、一个光电探测器。

本发明可以取得的有益效果是，避免探测系统的光路频繁调整，大大缩短获取光脉冲量子态的时间。为了达到上述效果，方案中包括多个50/50分束器，且以分级分束形式排列，使得原本只能在一条光路上执行一个操作，转变为可在分束形成的多条光路上分别执行操作，而其结果保持与在原光路上的操作结果相一致。上述多个50/50分束器位于光脉冲调节装置之后时，可在每条分束光路的不同位置处执行弱测量；若将多个50/50分束器位于信息读取装置内部，则可在每条分束光路上实施不同方向的投影测量。

附图说明

图1是探测光脉冲量子态的现有技术方案的原理结构图；

图2是本发明的原理结构图；

图3是50/50分束器示意图；

图4是光脉冲调节装置内部结构示意图；

图5是弱测量装置内部结构三视图，其中(a)是弱测量装置的具体实施例一，(b)是弱测量装置的具体实施例二；

图6是强测量装置内部结构示意图；

图7是信息读取装置内部结构示意图，其中(a)是信息读取装置的具体实施例一，(b)是信息读取装置的具体实施例二；

图8是本发明的一个具体实施方式；

附图中数字代表的部件如下：11：相位置零器，12：偏振置零器，13：空间分布放大器，21：半波片，22：透光片，23：遮光板，3：傅里叶透镜，411：+45°线偏振光偏振器，412：-45°线偏振光偏振器，413：右旋圆偏振光偏振器，414：左旋圆偏振光偏振器，42：凹透镜，43：集成阵列CCD，44：通光小孔45：凸透镜，46：光电探测器，5：50/50分束器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例描述本发明。

图2是本发明的原理结构图。本发明包括光脉冲调节装置、弱测量装置、强测量装置、信息读取装置，以及在光脉冲调节装置和弱测量装置之间还包括2ⁿ-1个以分级分束形式排列的50/50分束器，第n级分束器组包括2^n-1个50/50分束器，其中n为分束级数。从光脉冲调节装置出射的光进入第一级分束器组，第一级分束器组输出两束出射光，这两束出射光分别进入第二级分束器组的2个50/50分束器，以此类推，经过n级分束器组的n级分束，共出射2ⁿ束分束光。每条分束光依次经过一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置。

图3是50/50分束器示意图。一个50/50分束器5可将入射光分成透射光和反射光两束出射光，其中透射光是继续沿入射光方向传播的出射光，反射光是传播方向垂直于入射光方向的另一束光，其空间分布是入射光的空间镜像。为了保证透射光和反射光的光强相等，入射光以与50/50分束器5的分束面成45°夹角入射，此时两束出射光的光强均是入射光的经过上述设置，原本只能在一条光路上执行一个操作变为可在透射光路和反射光路上分别执行操作，而其结果保持与在原光路上的操作结果相一致。本发明共使用2ⁿ-1个50/50分束器5，通过n级分束，产生2ⁿ条光路，它们的光强均为原光路的2^-n。由于光经过分束其光强会减弱，会影响后续的仪器读数，从而影响量子态的探测精度，因此分束级数n不能无限大，具体取值需根据原始待测光脉冲的光强I和信息读取装置的噪声水平σ综合考虑，以仪器读数能正确反映所测量的物理量为标准来判断，优选n满足I·2^-n≥5σ，例如当I＝10,σ＝0.1时，n≤log₂20，即为了保证测量精度，最多可采取4级分束。

图4是光脉冲调节装置内部结构示意图。本发明的光脉冲调节装置包括相位置零器11、偏振置零器12和空间分布放大器13。相位置零器11的作用是将光脉冲的相位调节到设定为零的基础相位，可以采用Babinet-Soleit补偿器实现。偏振置零器12将光脉冲的偏振方向调整到设置为零的偏振方向，该零偏振方向可以是水平方向或者垂直方向，偏振置零器12可以通过调节偏振片的方向和角度实现。空间分布放大器13通过焦距互相匹配的两块凸透镜实现，其作用是将光扩束，即由细光束转变为粗光束。

图5是弱测量装置内部结构三视图，其中(a)展示弱测量装置的具体实施例一，(b)展示弱测量装置的具体实施例二。本发明的弱测量装置包括一块半波片21、一块透光片22和两块遮光板23，其中，两块遮光板23相对平行放置，透光片22位于两块遮光板23之间，透光片22的有效通光平面垂直于光传播方向，半波片21位于透光片22的有效通光平面之前，且半波片21的面积远远小于透光片22的面积，半波片21改变入射光偏振方向的角度满足上述透光片22可以是玻璃或者塑料，它不改变光的相位、偏振、光强等特征。上述遮光板23的作用是改变透光片22的有效通光平面区域。上述半波片21的作用是改变入射光的偏振方向，通过调节半波片21的晶轴的方向和角度实现。半波片21的面积很小，远远小于透光片22的有效通光平面的面积，例如设定半波片21的面积为1mm×1mm，而透光片22的有效通光平面的面积为20mm×20mm。半波片21在透光片22的有效通光平面上的分布位置可以近似认为是一个点，用q标记该点位置。当透光片22的通光区域是一条窄带时，如图5(a)所示，可以近似认为窄带是一条直线，此时将获得光脉冲量子态的一维直线分布特性。当透光片22的通光区域是平面图形时，如图5(b)所示，将获得光脉冲量子态的二维平面分布特性。为匹配通过n级分束产生的2ⁿ条光路，本发明共包括2ⁿ个弱测量装置，且设置半波片21在透光片22平面上的位置q彼此不相同，而这2ⁿ个装置中的位置q能够完全覆盖透光片22的有效通光平面区域。

图6是强测量装置内部结构示意图。强测量装置主要包括一块傅里叶透镜3，用于实现光的傅里叶变换，即变换焦前平面上光的位置分布信息为焦后平面上光的动量分布信息。

图7是信息读取装置内部结构示意图。信息读取装置转换收集到的光信号为电信号并输出。为获取光脉冲量子态，需测量其在特定偏振方向的分量大小，分别是+45°偏振、-45°偏振、右旋圆偏振和左旋圆偏振，用符号N_D、N_A、N_R、N_L表示对应的测量数据。这些测量记录与弱测量装置中半波片21位置q和光的动量分布面上的p相关联，因此还可记为N_k|_p,q,k＝D,A,R,L。

信息读取装置存在两个实施例。实施例一如图7(a)所示，包括三个50/50分束器5、一个+45°线偏振光偏振器411、一个-45°线偏振光偏振器412、一个右旋圆偏振光偏振器413、一个左旋圆偏振光偏振器414、四块凹透镜42和四个集成阵列CCD43，其连接关系为，三个50/50分束器5位于强测量装置的傅里叶透镜3之后，经过二级分束，产生四条光路，在这四条光路上分别设置+45°线偏振光偏振器411、-45°线偏振光偏振器412、右旋圆偏振光偏振器413、左旋圆偏振光偏振器414，之后放置一块起扩束作用的凹透镜42，转变细光束为粗光束，最后由集成阵列CCD43记录该条光路的光强空间分布。其中每个集成阵列CCD43均位于该光路上傅里叶透镜3的焦后平面处。由此在一个测量时间段内得到所需的测量记录N_D|_p,q、N_A|_p,q、N_R|_p,q、N_L|_p,q。在得到上述测量数据后，根据如下公式计算光脉冲的量子态：

公式一

其中是狄拉克概率，q是与弱测量装置中半波片21的位置相对应的位置，p是与傅里叶透镜3的焦后平面上的动量分布相对应的动量，是弱测量装置中半波片21所改变的光的偏振方向的角度，i是单位虚数。若向后移动集成阵列CCD43的位置，移动距离为d，且d≥0，则通过新的测量记录N_D|_p,q,d、N_A|_p,q,d、N_R|_p,q,d、N_L|_p,q,d，得到其光脉冲量子态为

公式二

该公式描述了光脉冲量子态沿空间距离d传播的特性，其中与公式一相同的数学符号的含义相同。

信息读取装置的第二个实施例如图7(b)所示，包括一个通光小孔44、一块凸透镜45、三个50/50分束器5、一个+45°线偏振光偏振器411、一个-45°线偏振光偏振器412、一个右旋圆偏振光偏振器413、一个左旋圆偏振光偏振器414、四个光电探测器46，其连接关系为，通光小孔44位于强测量装置的傅里叶透镜3的焦后平面上动量p＝0的位置，从而仅有p＝0的光可继续传播，凸透镜45位于通光小孔44之后，与其相距一个焦距，从而凸透镜45的出射光为平行光，之后经过三个50/50分束器5的二级分束，产生四条光路，在这四条光路上分别设置+45°线偏振光偏振器411、-45°线偏振光偏振器412、右旋圆偏振光偏振器413、左旋圆偏振光偏振器414，最后由光电探测器46记录该光路的光强。由此在一个测量时间段内得到所需的测量记录N_D|_q、N_A|_q、N_R|_q、N_L|_q。根据上述测量记录，计算得出光脉冲的量子态为

公式三

公式三描述了纯态形式的量子态，该公式为公式一在p＝0时的特例，其中与公式一相同的数学符号的含义相同。更换不同焦距的傅里叶透镜3，则焦后平面在光路上的位置会发生改变，用d表示此改变量，且d≥0，通过新的测量记录N_D|_q,d、N_A|_q,d、N_R|_q,d、N_L|_q,d计算出的量子态为

公式四

公式四描述了纯态形式的光脉冲量子态沿空间距离d传播的特性，其中与公式一相同的数学符号的含义相同。

图8展示了本发明的一个具体实施方式，该实施方式采用的是弱测量装置的具体实施例一和信息读取装置的具体实施例一。该探测系统包括下列部件：一个光脉冲调节装置，它包括一个相位置零器11、一个偏振置零器12、一个空间分布放大器13；一个50/50分束器5；两个弱测量装置的实施例一，其中每个弱测量装置的实施例一包括一块半波片21、一块透光片22、一个遮光板23，并且透光片22和遮光板23的组合满足使透光片22的有效通光平面区域为窄带；两个强测量装置，其中每个强测量装置包括一块傅里叶透镜3；两个信息读取装置的实施例一，其中每个信息读取装置的实施例一包括三个50/50分束器5、一个+45°线偏振光偏振器411、一个-45°线偏振光偏振器412、一个右旋圆偏振光偏振器413、一个左旋圆偏振光偏振器414、四块凹透镜42、四个集成阵列CCD43。上述部件的连接关系为光脉冲调节装置位于50/50分束器5之前，两个弱测量装置分别位于上述50/50分束器5的透射和反射两条出射光路上，两个强测量装置分别位于上述弱测量装置之后，两个信息读取装置的实施例一分别位于上述强测量装置之后。通过替换本实施方式中弱测量装置和/或信息读取装置的具体实施例，可以得到本发明的其它实施方式。

上述半波片21改变光偏振方向的角度为且透光片22的通光区域为窄带，半波片21固定在透光片22上的q位置，并且透射光路和反射光路的位置不同，即q|_透≠q|_反，因此探测系统可同时得到光脉冲在透射光路和反射光路上不同位置点的量子态信息。上述集成阵列CCD43位于傅里叶透镜3的焦后平面之后，相距d≥0的位置，该集成阵列CCD43的作用是记录下光脉冲的光强空间分布。通过四个集成阵列CCD43记录的数据N_D|_p,q,d、N_A|_p,q,d、N_R|_p,q,d、N_L|_p,q,d，根据公式二可计算得出光脉冲的量子态。

通过图8所示的具体实施方式可以看出，本发明的测量精度略低于现有技术。这是由于待测量的光脉冲经分束后，光强会减弱。假设经过n级分束产生2ⁿ条光路，则每条光路的光强仅为原光路的2^-n。由于集成阵列CCD43和光电探测器46均会受到噪声影响，使读数产生误差。当光强较大时，仪器读数较大，这时噪声在读数中所占比例较小，此时可认为读数的相对误差较小；而当光强变小，仪器读数也变小，若此时噪声强度不变，则该噪声对读数的影响变大，从而读数的相对误差变大。当光的强度弱到与噪声相同水平时，仪器已无法区分噪声和信号，也就无法获取正确的光脉冲量子态，因此分束级数n不能无限大。

此外，通过图8所示的具体实施方式可知，本发明的有效工作的前提是，在一个完整的测量时间段内，被测量的光脉冲量子态保持不变，该量子态既可以是纯态也可以是混合态。如果量子态在测量时间段内发生变化，往往其变化速度快于测量速度，则信息读取装置记录的数据无法跟踪该快速变化过程，从而记录的数据无法反映任何有意义的结果。

Claims (8)

1.一个测量光脉冲量子态的探测系统，包括光脉冲调节装置、弱测量装置、强测量装置、信息读取装置，其特征在于，在光脉冲调节装置和弱测量装置之间还包括n级分束器组，第n级分束器组包括2^n-1个50/50分束器，其中n为分束器组的级数，其取值满足I·2^-n≥5σ，I为待测光脉冲的光强，σ为信息读取装置的噪声水平；从光脉冲调节装置出射的光进入第一级分束器组，并且该光与第一级分束器组的50/50分束器的分束面的夹角为45°；第一级分束器组的出射光为两束特性相同的光，并且分别进入第二级分束器组的2个50/50分束器，上述出射光分别与对应的50/50分束器的分束面的夹角为45°；以此类推，经过n级分束器组的n级分束，共出射2n束特性相同的分束光，每条分束光依次经过一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置；信息读取装置包括三个50/50分束器、一个+45°线偏振光偏振器、一个-45°线偏振光偏振器、一个右旋圆偏振光偏振器、一个左旋圆偏振光偏振器、四块凹透镜和四个集成阵列CCD；进入信息读取装置的光首先经过三个50/50分束器被分成四束特性相同的光；其中，第一束光依次通过+45°线偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD；第二束光依次通过-45°线偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD；第三束光依次通过右旋圆偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD；第四束光依次通过左旋圆偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD。

2.一种如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，光脉冲调节装置包括位于同一光轴依次放置的一个相位置零器、一个偏振置零器、一个空间分布放大器；其中，相位置零器为Babinet-Soleit补偿器，偏振置零器为偏振片，空间分布放大器包括两块凸透镜。

3.一种如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，弱测量装置包括一块半波片、一块透光片和两块遮光板；其中，两块遮光板相对平行放置；透光片位于两块遮光板之间；透光片的有效通光平面垂直于光传播方向；半波片位于透光片的有效通光平面之前，且半波片的面积远远小于透光片的面积，半波片改变入射光偏振方向的角度满足

4.一种如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，强测量装置包括一块傅里叶透镜。

5.一个测量光脉冲量子态的探测系统，包括光脉冲调节装置、弱测量装置、强测量装置、信息读取装置，其特征在于，在光脉冲调节装置和弱测量装置之间还包括n级分束器组，第n级分束器组包括2^n-1个50/50分束器，其中n为分束器组的级数，其取值满足I·2^-n≥5σ，I为待测光脉冲的光强，σ为信息读取装置的噪声水平；从光脉冲调节装置出射的光进入第一级分束器组，并且该光与第一级分束器组的50/50分束器的分束面的夹角为45°；第一级分束器组的出射光为两束特性相同的光，并且分别进入第二级分束器组的2个50/50分束器，上述出射光分别与对应的50/50分束器的分束面的夹角为45°；以此类推，经过n级分束器组的n级分束，共出射2n束特性相同的分束光，每条分束光依次经过一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置；信息读取装置包括一个通光小孔、一块凸透镜、三个50/50分束器、一个+45°线偏振光偏振器、一个-45°线偏振光偏振器、一个右旋圆偏振光偏振器、一个左旋圆偏振光偏振器、四个光电探测器；进入信息读取装置的光依次经过通光小孔、凸透镜；其中，凸透镜与通光小孔相距一个凸透镜的焦距；该光再经过三个50/50分束器被分成四束特性相同的光；其中，第一束光依次通过+45°线偏振光偏振器、一个光电探测器；第二束光依次通过-45°线偏振光偏振器、一个光电探测器；第三束光依次通过右旋圆偏振光偏振器、一个光电探测器；第四束光依次通过左旋圆偏振光偏振器、一个光电探测器。

6.一种如权利要求5所述的探测系统，其特征在于，光脉冲调节装置包括位于同一光轴依次放置的一个相位置零器、一个偏振置零器、一个空间分布放大器；其中，相位置零器为Babinet-Soleit补偿器，偏振置零器为偏振片，空间分布放大器包括两块凸透镜。

7.一种如权利要求5所述的探测系统，其特征在于，弱测量装置包括一块半波片、一块透光片和两块遮光板；其中，两块遮光板相对平行放置；透光片位于两块遮光板之间；透光片的有效通光平面垂直于光传播方向；半波片位于透光片的有效通光平面之前，且半波片的面积远远小于透光片的面积，半波片改变入射光偏振方向的角度满足

8.一种如权利要求5所述的探测系统，其特征在于，强测量装置包括一块傅里叶透镜。