CN107357112A - 基于共线切割双折射晶体的量子行走装置 - Google Patents
基于共线切割双折射晶体的量子行走装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，该装置利用共线切割的双折射晶体实现自旋轨道耦合，同时保留时间复用量子行走方案的共线特征，保证其干涉可见度和稳定性；同时，由于不采用光学环(Optical Loop)的分束测量方案，可以排除过高的额外损耗，从而能够雇佣真正单光子源作为行走者并极大提高线性光学量子行走的规模。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息领域，尤其涉及一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置。
背景技术
量子行走是经典随机行走的量子推广。鉴于经典随机行走这样一个数学统计模型在多个传统领域的广泛应用，量子行走的概念一经提出便在多个学科领域广受关注。相较于经典随机行走，由于引入了量子相干性等量子特征，量子行走有望在这些领域中提供更为有效的解决实际问题的新思路。单就量子信息领域的应用来看:首先，量子行走是研究量子算法的一个重要工具，可以用于开发优越于经典算法的量子算法，例如效率达到O√N的量子搜索算法；其次，量子行走还被证明可以构建普适量子计算；量子行走甚至可以用于探索量子力学基本问题，如基于量子行走构建量子测量装置。和经典随机行走一样，在其它领域，如化学、生物学甚至医学同样具有广阔前景。
目前，对量子行走的研究已经由理论探索转向工程应用，所有基于量子行走的技术应用均依赖于建立具有一定规模的量子行走装置。目前能够进行这方面应用的实验系统较多，主要包括线性光学系统、NMR系统、腔QED系统、离子阱系统、中性束缚原子系统、量子点系统等等。
线性光学系统因其具有室温操作、受环境扰动小等优点，是最早用于量子信息研究的实验系统之一。利用线性光学系统实现量子行走一直是量子信息领域的研究热点和难点。基于该系统的量子行走实现方案主要包括两大类：即体光学和集成光学。
一、体光学量子行走
体光学是指基于传统的大尺度光学元件，光束传播可以用传统的琼斯矩阵予以描述的光学系统。其特点是现有制造技术成熟、系统可调节性强。缺点主要在于体积庞大，在多数需要光学干涉仪的场合稳定性差，难以扩展，系统规模受限。目前基于体光学的量子行走系统主要包括：
1、路径分束量子行走
得益于平行偏振分束器制造工艺的提升和大规模应用，利用平行偏振分束器进行路径维度的量子行走开创线性光学量子行走的先河。通过波片实现量子硬币操作，再通过平行偏振分束器实现自旋轨道耦合，鉴于该类型分束器分出的光束分开距离小，传播方向平行，干涉稳定度相对较高，实验应用较多。
2、时间复用量子行走
通过非平衡Mach-Zender干涉仪实现时间域的自旋轨道耦合，通过波片或者电光、声光调制晶体等实现量子硬币操作。鉴于时间域编码可以规避路径编码中的模式匹配，干涉不稳定等难题，基于非平衡干涉仪的量子行走装置规模上相对较大。
3、轨道角动量量子行走
将量子行走中行走者的位置空间编码到光子的轨道角动量维度，通过螺旋相位片和波片等实现自旋轨道耦合和量子硬币操作。目前受限于螺旋相位片的制造工艺以及轨道角动量维度操作和读取的难度，该类型的量子行走装置报道较少，规模也相对较小。
二、集成光学量子行走
集成光学是相对体光学而言的，主要是基于光刻波导工艺或者集成光子学芯片技术，将传统的体光学元件缩小到微米量级的光学系统。目前基于集成光学的量子行走装置包括：
1、光学波导量子行走
该类型的量子行走将行走者位置空间编码到彼此相邻的光学波导中，通过波导间的耦合和折射效应来实现量子行走。该技术方案依赖于波导加工工艺，且不可调节，单次产品仅能完成一个特定参数的量子行走。
2、片上光学量子行走
量子信息的发展催生片上光学系统的发展。目前可编程光学芯片的规模已经可以集成56个Mach-Zender，并成功演示Bosonic Transport。基于该种类型的量子行走装置目前主要受限于制造工艺，传输损耗较大，规模有待提升。
从目前的进展来看，基于线性光学的量子行走方案主要存在两个方面的缺陷：一个是不能使用真正的单光子源，前面提到的很多技术方案，特别是基于非平衡干涉仪的量子行走方案，都是使用了衰减的激光作为实验光源，这种类型的实验方案虽然能做到几十步的量子行走，但是受限于光源，难以宣称是“量子”行走。虽然利用平行偏振分束器或者雇佣光子的轨道角动量维度能够使用参量下转换产生的可预报单光资源，但是因为操作保真度和干涉可见度的限制，很难做到两位数量级步数的量子行走，量子行走的规模难以得到大规模的提升，应用前景受限。另外一个是基于芯片光学实验系统虽然可以做到多达56个Mach-Zender干涉仪的光学芯片，并且可以使用包括可预报单光资源在内的单光子源，但是由于制造工艺的问题，光学损耗很大，难以在一个维度上提高行走步数。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，利用共线切割的双折射晶体实现自旋轨道耦合，同时保留时间复用量子行走方案的共线特征，保证其干涉可见度和稳定性；同时，由于不采用光学环(Optical Loop)的分束测量方案，可以排除过高的额外损耗，从而能够雇佣真正单光子源作为行走者并极大提高线性光学量子行走的规模。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，包括：单光子源模块、量子行走模块和单光子时间谱分析模块；其中：
所述单光子源模块，用于通过自发参量下转换过程产生红外波段高度关联的单光子A和单光子B；其中的单光子A输入红外波段单光子探测器，红外波段单光子探测器输出信号接入单光子时间谱分析模块，单光子B输入至量子行走模块；
所述量子行走模块，用于对输入的单光子B进行进行量子态操作，并通过共线切割的双折射晶体实现量子行走中的自旋轨道耦合，最终形成典型的量子行走分布特征；
所述单光子时间谱分析模块，用于根据完成量子行走的单光子B与输入的单光子A来进行量子行走时间谱的扫描分析。
所述单光子源模块包括：紫外激光系统、第一BBO晶体与单光子准直收集系统；
紫外激光系统发出的激光束经过透镜组整形后聚焦于所述第一BBO晶体上，由自发参量下转换过程产生红外波段高度关联的单光子A和单光子B；
单光子A经过单光子准直收集系统后经光纤导入红外波段单光子探测器，其输出信号接入单光子时间谱分析模块中的符合计数系统；
单光子B经过单光子准直收集系统后传输至量子行走模块，通过对单光子A的探测来预报单光子B的存在。
所述量子行走模块包括：硬币初态制备系统、量子行走系统与硬币末态分析系统；其中：
所述硬币初态制备系统包括：依次连接的起偏器、1/2波片与1/4波片；通过设置1/2波片与1/4波片的光轴角度，将单光子B制备到任意偏振态上；
所述量子行走系统包括：N组依次设置的单步行走系统；每一单步行走系统包括：依次设置的量子掷硬币操作装置与自旋轨道耦合操作装置；所述量子掷硬币操作装置由1/4波片、1/2波片与1/4波片依次排列组成，所述自旋轨道耦合操作装置由共线切割双折射晶体构成；单光子B每经过一次共线切割双折射晶体，其水平偏振分量都会比垂直偏振分量在时间上快一个由晶体长度决定的特定值；经过N步量子行走后，单光子B在时间域的位置就会呈现一定的特征，从而形成典型的量子行走分布特征；
所述硬币末态分析系统包括：依次设置的1/4波片、1/2波片与检偏器；用于对量子行走结束后的单光子B每个格点位置的硬币态进行分型测量。
所述单光子时间谱分析模块包括：红外脉冲激光、第二BBO晶体、频率滤波系统、紫外单光子探测系统与符合计数系统；
所述红外脉冲激光经过附属的光延时模块调整脉冲到达时间后，再经过透镜聚焦到第二BBO晶体上；所述量子行走模块输出的单光子B同时经过整形后聚焦于第二BBO晶体上同一点；调节红外脉冲激光的时间延时量，当红外脉冲激光和量子行走模块输出的单光子B在时间上重合时，第二BBO晶体内部发生的和频过程会将单光子B的能量转移致紫外波段，成为紫外单光子；
所述紫外单光子信号经过频率滤波系统以提升信噪比；经过滤波的紫外单光子经过整形后聚焦于紫外单光子探测系统，紫外单光子探测系统的输出信号接入符合计数系统，并与单光子A的计数信号一起，完成双光子符合计数测量。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，所需要的设备都为常规光学器件，其核心部分所涉及的硬币操作和自旋轨道耦合操作，所需光学元件均为成熟的波片类和晶体类产品，技术成熟，且成本较低；此外，整个量子行走方案采用的时间复用共线干涉仪这种结构，干涉可见度高，稳定性好。相比已经发表的其它线性光学量子行走方案，本发明可以雇佣真正单光子作为行走者，并且在量子行走规模上有很大的提高。
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为本发明实施例提供的一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的单光子源模块的工作示意图；
图3为本发明实施例提供的量子行走模块的作示意图；
图4为本发明实施例提供的单光子时间谱分析模块的工作示意图；
图5为本发明实施例提供的量子行走时序结构图。
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为本发明实施例提供的一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置的示意图。如图1所示，其主要包括：
单光子源模块、量子行走模块和单光子时间谱分析模块；其中：
所述单光子源模块，用于通过自发参量下转换过程产生红外波段高度关联的单光子A和单光子B；其中的单光子A输入红外波段单光子探测器，红外波段单光子探测器输出信号接入单光子时间谱分析模块，单光子B输入至量子行走模块；
所述量子行走模块，用于对输入的单光子B进行进行量子态操作，并通过共线切割的双折射晶体实现量子行走中的自旋轨道耦合，最终形成典型的量子行走分布特征；
单光子时间谱分析模块，用于根据完成量子行走的单光子B与输入的单光子A来进行量子行走时间谱的扫描分析。
本发明实施例中，所述单光子源模块主要包括：紫外激光系统、第一BBO晶体与单光子准直收集系统；
紫外激光系统发出的激光束经过透镜组整形后聚焦于所述第一BBO晶体上，由自发参量下转换过程产生红外波段高度关联的单光子A和单光子B；
单光子A经过单光子准直收集系统后经光纤导入红外波段单光子探测器，其输出信号接入单光子时间谱分析模块中的符合计数系统；
单光子B经过单光子准直收集系统后传输至量子行走模块，通过对单光子A的探测来预报单光子B的存在。
本发明实施例中，所述量子行走模块主要包括：硬币初态制备系统、量子行走系统与硬币末态分析系统；其中：
所述硬币初态制备系统包括：依次连接的起偏器、1/2波片与1/4波片；通过设置1/2波片与1/4波片的光轴角度，将单光子B制备到任意偏振态上；
所述量子行走系统包括：N组依次设置的单步行走系统；每一单步行走系统包括：依次设置的量子掷硬币操作装置与自旋轨道耦合操作装置；所述量子掷硬币操作装置由1/4波片、1/2波片与1/4波片依次排列组成，所述自旋轨道耦合操作装置由共线切割双折射晶体构成；
所述硬币末态分析系统包括：依次设置的1/4波片、1/2波片与检偏器；用于对量子行走结束后的单光子B每个格点位置的硬币态进行分型测量。
本发明实施例中，所述单光子时间谱分析模块主要包括：红外脉冲激光、第二BBO晶体、频率滤波系统、紫外单光子探测系统与符合计数系统；
所述红外脉冲激光经过透镜聚焦到第二BBO晶体上；所述量子行走模块输出的单光子B同时经过整形后聚焦于第二BBO晶体上同一点；调节红外脉冲激光的时间延时量，当红外脉冲激光和量子行走模块输出的单光子B在时间上重合时，第二BBO晶体内部发生的和频过程会将单光子B的能量转移致紫外波段，成为紫外单光子；
所述紫外单光子信号经过频率滤波系统以提升信噪比；经过滤波的紫外单光子经过整形后聚焦于紫外单光子探测系统，紫外单光子探测系统的输出信号接入符合计数系统，并与单光子A的计数信号一起，完成双光子符合计数测量。
以上为本发明实施例提供的基于共线切割双折射晶体的量子行走装置的主要组成结构，为了便于理解，下面针对该装置的工作原理进行介绍。
如图2所示，为单光子源模块的工作示意图。紫外脉冲激光经过透镜组整形后聚焦于第一BBO晶体上。BBO晶体内部发生的非线性相互作用，会将高能量的紫外光子劈裂为两个能量较低的光子。该过程需要满足能量和动量守恒关系，从而保证产生的两个单光子A和B存在高度关联特性。其中时间和空间关联特征使得，探测的单光子A可以准确地预报单光子B的存在，构成可预报单光子源系统。之后，单光子A经过准直透镜准直后进入光纤收集系统(即单光子准直收集系统)，再经光纤导入红外波段单光子探测器，最后进入单光子时间谱分析模块中的符合计数系统。单光子B经过单光子准直收集系统后再经过自由空间接入所述量子行走模块。
本发明实施例中采用可预报单光子源系统，主要是考虑到量子行走需要超快单光子源(脉冲宽度小于500fs)，现有技术下的其它类型单光子源难以达到，但并不限定该单光子源类型。
如图3所示，为量子行走模块的作示意图。所述单光子B进入量子行走模块后，首先经过硬币初态制备系统(由起偏器、1/2波片、1/4波片依次排列组成)，通过设置1/2波片和1/4波片的光轴角度，完成任意初态的制备。之后，经过初态制备的单光子B进入后续量子行走系统(由N组单步行走模块组成)。每一组单模行走模块由两部分构成：首先是由1/4波片-1/2波片-1/4波片依次排列组成的量子掷硬币操作装置，其次是由共线切割双折射晶体构成的自旋轨道耦合操作装置。单光子B每经过一次双折射晶体，其水平偏振分量都会比垂直偏振分量在时间上快一个由晶体长度决定的特定值从而构成了一维时间复用的量子行走装置。经过多步量子行走后，光子B在时间域的位置就会呈现一定的特征，特别地在相位严格校准的情况下，形成典型的量子行走分布特征。经过量子行走系统的单光子B，再经过量子硬币态分析系统(由1/4波片-1/2波片-检偏器按序排列组成)，可以对每一个格点位置的量子硬币态进行分型测量。
本发明实施例中，量子行走的自选轨道耦合采用共线结构，相较于通常的时间复用方案，在干涉可见度和系统稳定上具有压倒性优势；由于系统不存在现有时间复用量子行走方案中的额外损耗问题，加上本发明实施例中所选单光子时间脉冲宽度远小于脉冲重复间隔，因此原则上可以提高现有单光子量子行走步数2-3个数量级。此外，量子行走的掷硬币操作可采用线性光学中普适的单量子比特门操作，可以实现任意的量子掷硬币操作。同时，N的具体取值可以根据实际情况来设定，例如，可设N＝50。
如图4所示，为单光子时间谱分析模块的工作示意图。完成量子行走的单光子B通过自由空间耦合进单光子时间谱分析模块。所述红外脉冲激光经过附属的光延时模块调整脉冲到达时间后，再经过透镜聚焦到第二BBO晶体上。单光子B同时经过整形后聚焦于第二BBO上同一点，通过调整相位匹配角度，和红外脉冲激光的到达时间，可以观察到两束光的和频信号，即红外脉冲激光泵浦BBO晶体(第二BBO晶体)，将单光子B转换为高能量的紫外光子。由于本方案需要采集单光子信号，而高能量的红外脉冲激光的散射信号会形成极大干扰。经过能量转换的单光子B需要再经过频率滤波系统以完成信噪比提升，可以采用商业化的滤光片或者自建基于色散元件的频率滤波器。经过滤波的紫外波段单光子直接进入紫外单光子探测系统，其输出信号接入符合计数系统，并与单光子A的计数信号一起，完成可预报单光子的探测。
为了进一步介绍本发明，下面例举具体的数值对该装置中的元件参数进行介绍；需要说明的是，下述示例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。
本示例中，紫外脉冲光源可以为中心波长400nm，谱宽为8nm，功率100mW，重复频率76MHz。用于可预报单光子源制备的BBO晶体可以选取为Beam LikeⅡ型非简并切割，通光孔径5mm×10mm，两侧镀有700-800nm&300-500nm双色增透膜。其产生的单光子A波长为821nm，单光子B波长为780nm。该种类型可预报单光子源的亮度高，模式好，有利于后续实验。
本示例中，用于量子行走的自旋轨道耦合操作的双折射晶体可以是8.98mm厚度的方解石晶体，通光孔径10mm×10mm，两侧通光面镀700-900nm增透膜。其光轴统一处于垂直方向。
本示例中，所述单步量子行走模块中的1/4-1/2-1/4波片组以及量子硬币态制备和检测的1/4-1/2波片组为装置在旋转镜架中的1/2英寸零阶圆形波片，镀700－900纳米增透膜。波片的光轴角度由系统所需决定。
本示例中，红外脉冲激光可以是中心波长800nm，脉冲宽度100fs，重复频率76MHz，平均功率1W。其配套的光延时系统可以是置于位移台上的回射镜实现，其中位移台形成100mm，步精度1μm。
本示例中，用于聚焦红外脉冲激光的透镜可以是通光孔径1英寸，焦距100mm，两侧镀700-900nm增透膜。
本示例中，用于单光子上转换的BBO晶体132可以是Beam LikeⅡ型共线切割，通光孔径5mm×10mm，两侧镀有700-800nm&300-500nm双色增透膜。其能量转换后的单光子中心波长395nm。
本示例中，频率滤波系统可以是低通滤波器，截止波长398nm，上升沿小于1nm。
本示例中，红外波段单光子探测器可以选取硅基雪崩式单光子探测器，暗计数小于100Hz，Time Jitter 1ns,死时间20ns，探测效率70％；紫外波段单光子探测器可以选用光电倍增管，暗计数小于10Hz，Time Jitter 1ns，死时间20ns，探测效率30％。
在这些给定的元件参数下，通过计算得到本发明实施例的量子行走几率分布如图5所示。格点间隔5ps，信号重复间隔13ns，最大行走步数2600步。
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 (4)
1.一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，其特征在于，包括：单光子源模块、量子行走模块和单光子时间谱分析模块；其中：
所述单光子源模块，用于通过自发参量下转换过程产生红外波段高度关联的单光子A和单光子B；其中的单光子A输入红外波段单光子探测器，红外波段单光子探测器输出信号接入单光子时间谱分析模块，单光子B输入至量子行走模块；
所述量子行走模块，用于对输入的单光子B进行进行量子态操作，并通过共线切割的双折射晶体实现量子行走中的自旋轨道耦合，最终形成典型的量子行走分布特征；
所述单光子时间谱分析模块，用于根据完成量子行走的单光子B与输入的单光子A来进行量子行走时间谱的扫描分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，其特征在于，所述单光子源模块包括：紫外激光系统、第一BBO晶体与单光子准直收集系统；
紫外激光系统发出的激光束经过透镜组整形后聚焦于所述第一BBO晶体上，由自发参量下转换过程产生红外波段高度关联的单光子A和单光子B；
单光子A经过单光子准直收集系统后经光纤导入红外波段单光子探测器，其输出信号接入单光子时间谱分析模块中的符合计数系统；
单光子B经过单光子准直收集系统后传输至量子行走模块，通过对单光子A的探测来预报单光子B的存在。
3.根据权利要求1所述的一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，其特征在于，所述量子行走模块包括：硬币初态制备系统、量子行走系统与硬币末态分析系统；其中：
所述硬币初态制备系统包括：依次连接的起偏器、1/2波片与1/4波片；通过设置1/2波片与1/4波片的光轴角度，将单光子B制备到任意偏振态上；
所述量子行走系统包括：N组依次设置的单步行走系统；每一单步行走系统包括：依次设置的量子掷硬币操作装置与自旋轨道耦合操作装置；所述量子掷硬币操作装置由1/4波片、1/2波片与1/4波片依次排列组成，所述自旋轨道耦合操作装置由共线切割双折射晶体构成；单光子B每经过一次共线切割双折射晶体，其水平偏振分量都会比垂直偏振分量在时间上快一个由晶体长度决定的特定值；经过N步量子行走后，单光子B在时间域的位置就会呈现一定的特征，从而形成典型的量子行走分布特征；
所述硬币末态分析系统包括：依次设置的1/4波片、1/2波片与检偏器；用于对量子行走结束后的单光子B每个格点位置的硬币态进行分型测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于共线切割双折射晶体的量子行走装置，其特征在于，所述单光子时间谱分析模块包括：红外脉冲激光、第二BBO晶体、频率滤波系统、紫外单光子探测系统与符合计数系统；
所述红外脉冲激光经过附属的光延时模块调整脉冲到达时间后，再经过透镜聚焦到第二BBO晶体上；所述量子行走模块输出的单光子B同时经过整形后聚焦于第二BBO晶体上同一点；调节红外脉冲激光的时间延时量，当红外脉冲激光和量子行走模块输出的单光子B在时间上重合时，第二BBO晶体内部发生的和频过程会将单光子B的能量转移致紫外波段，成为紫外单光子；
所述紫外单光子信号经过频率滤波系统以提升信噪比；经过滤波的紫外单光子经过整形后聚焦于紫外单光子探测系统，紫外单光子探测系统的输出信号接入符合计数系统，并与单光子A的计数信号一起，完成双光子符合计数测量。
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