CN108627984B - 制备轨道角动量最大纠缠态的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备轨道角动量最大纠缠态的装置，包括：第一泵浦光源，用于产生水平偏振泵浦光；第二泵浦光源，用于产生垂直偏振泵浦光；合束器，设置于第一泵浦光源和第二泵浦光源的光路下游位置，用于将水平偏振泵浦光和垂直偏振泵浦光合束为一束泵浦光；铷泡，设置于合束器的光路下游位置，在泵浦光的连续作用下产生双色光子对；分束器，设置于铷泡的光路下游位置，用于将双色光子对分开，产生第一信号和第二信号；第一调制光路，设置于分束器的光路下游位置，用于向第一信号加载第一轨道角动量位相；第二调制光路，设置于分束器的光路下游位置，用于向第二信号加载不同于第一轨道角动量位相的第二轨道角动量位相。
Description
技术领域
本公开涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种制备轨道角动量最大纠缠态的装置。
背景技术
量子力学的发展深刻地改变了人们对物质结构以及相互作用的认识，同时否定了宿命论的哲学思想。量子力学能够很好地解释大量的物理现象，但也给出了很多反直觉的预言。其中最为诡异也最能反映其本质的就是由量子纠缠所带来的非局域性，爱因斯坦甚至基于此拒绝接受量子力学，而近代精确的物理实验却证实了这些预言，并带来了革命性的信息技术。基于量子纠缠发展起来的量子信息科学可以无条件地保证信息的安全，这使之成为各国激烈竞争的下一代安全通信体系。
目前的量子信息操作主要是基于光子的偏振自由度，而光子的轨道角动量自由度具有远高于偏振自由度的维数，在量子保密通信领域，它可以显著提高通信容量。现有技术缺乏一种光子对产生率高、纠缠性能好的最大纠缠态制备装置。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种制备轨道角动量最大纠缠态的装置，以解决现有技术存在的问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种制备轨道角动量最大纠缠态的装置，包括：第一泵浦光源，用于产生水平偏振泵浦光；第二泵浦光源，用于产生垂直偏振泵浦光；合束器，设置于所述第一泵浦光源和第二泵浦光源的光路下游位置，用于将所述水平偏振泵浦光和垂直偏振泵浦光合束为一束泵浦光；铷泡，设置于所述合束器的光路下游位置，在泵浦光的连续作用下产生双色光子对；分束器，设置于所述铷泡的光路下游位置，用于将双色光子对分开，产生第一信号和第二信号；第一调制光路，设置于所述分束器的光路下游位置，用于向第一信号加载第一轨道角动量位相；第二调制光路，设置于所述分束器的光路下游位置，用于向第二信号加载不同于第一轨道角动量位相的第二轨道角动量位相。
在本公开的一些实施例中，所述第一泵浦光源包括：外腔半导体激光器，用于产生水平偏振泵浦光；沿光路依次设置的：螺旋相位片、偏振分束器、半波片和透镜；螺旋相位片用于给水平偏振泵浦光加载轨道角动量光场，半波片和偏振分束器对水平偏振泵浦光进行调节，透镜对调节后的水平偏振泵浦光聚焦。
在本公开的一些实施例中，所述第二泵浦光源包括：外腔半导体激光器，用于产生垂直偏振泵浦光；沿光路依次设置的：螺旋相位片、偏振分束器、半波片和透镜；螺旋相位片用于给垂直偏振泵浦光加载轨道角动量光场，半波片和偏振分束器对垂直偏振泵浦光进行调节，透镜对调节后的垂直偏振泵浦光聚焦。
在本公开的一些实施例中，所述合束器和分束器采用长通双色反射镜。
在本公开的一些实施例中，所述第一调制光路包括：空间光调制器，将第一信号投影到轨道角动量模式上；单模光纤，用于耦合第一信号；雪崩光电二极管，对单模光纤输出的第一信号进行探测而产生脉冲信号；数字延时脉冲发生器，延时脉冲信号；红外单光子探测器，被延时的脉冲信号触发。
在本公开的一些实施例中，所述第二调制光路包括：空间光调制器，将第二信号投影到与第一信号不同的轨道角动量模式上；单模光纤，用于耦合第二信号；多模光纤，对单模光纤输出的第二信号延时；门控模式的探测器，探测延时的第二信号。
在本公开的一些实施例中，所述第一调制光路还包括：三个干涉滤波片，在频率自由度上对第一信号进行滤波。
在本公开的一些实施例中，所述第二调制光路包括还包括：三个带通滤波片，对第二信号进行滤波。
在本公开的一些实施例中，所述第一泵浦光源还包括：干涉滤波片，用于滤除水平偏振泵浦光的背景荧光。
在本公开的一些实施例中，所述第二泵浦光源还包括：一块光栅，用于对垂直偏振泵浦光进行纯化。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：
基于热原子系综自发四波混频效应制备轨道角动量最大纠缠态，在泵浦光场中加入轨道角动量信息，从而改变了光子对的轨道角动量的分布，最后制备最大纠缠态光子对。光子对的产生率相对于后选择方法等现有技术有了大幅度的提升，调制后的纠缠性能好，通过调节泵浦光轨道角动量模式的纠缠可以提高量子通信网络的容量，对量子信息技术的发展至关重要。
附图说明
图1为本公开实施例的制备轨道角动量最大纠缠态的装置的结构示意图。
图2为本公开实施例使用的85Rb菱型原子能级结构；P 1/2：泵浦1/2光场；S 1/2：信号1/2光场；
图3为二阶关联符合函数图。
图4(a)为泵浦光是高斯光场时，测得的轨道角动量模式强度分布矩阵图；图4(b)为泵浦光加载相反的轨道角动量l＝±2时，光子对轨道角动量模式的分布图。
图5(a)、图5(b)分别显示了高斯泵浦光条件下重构密度矩阵的实部和虚部；图5(c)、图5(d)分别显示了泵浦光携带轨道角动量的重构密度矩阵的实部和虚部。
具体实施方式
本公开提供了一种通过在泵浦光上加载轨道角动量来制备最大纠缠态的装置。这种装置能提供远高于后选择方法的光子对产生率。由于参量下转换过程只有一束泵浦光，如果加载有轨道角动量就会改变光子对总的轨道角动量。好在四波混频过程含有两束泵浦光，可以加载相反的轨道角动量，这样就可以在调制光子对量子态的同时保持总轨道角动量为零。
与现有技术不同，本公开基于热原子系综自发四波混频效应制备轨道角动量最大纠缠态。本公开在泵浦光场中加入轨道角动量信息，从而改变了光子对的轨道角动量的分布，最后制备最大纠缠态光子对。该装置使光子对的产生率相对于后选择方法有了大幅度的提升，并对调制前后光子对的量子态在两维和三维子空间的纠缠特性做了对比，发现调制后的纠缠性能变好；本公开通过调节泵浦光轨道角动量模式的纠缠可以提高量子通信网络的容量，对量子信息技术的发展至关重要。
下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
参见图1，本公开实施例的制备轨道角动量最大纠缠态的装置采用共线的几何结构，包括：第一泵浦光源、第二泵浦光源、合束器、铷泡、分束器、第一调制光路和第二调制光路。
第一泵浦光源包括：外腔半导体激光器1(DL100，Toptica)、螺旋相位片1、半波片1、偏振分束器1、透镜1。
外腔半导体激光器1用于产生水平偏振泵浦光1。水平偏振泵浦光1的波长为795nm，相对于跃迁5S1/2→5P1/2蓝失谐1.5GHz，其功率为25mW。沿光路依次设置有螺旋相位片1、偏振分束器1、半波片1、透镜1。螺旋相位片1用于给水平偏振泵浦光1加载轨道角动量光场。半波片1和偏振分束器1对水平偏振泵浦光1进行调节。调节后的水平偏振泵浦光1由焦距为200mm的透镜1进行聚焦，以增强非线性效应。
第二泵浦光源包括：外腔半导体激光器2(DL Prodesign，Toptica)、半波片2、偏振分束器2、透镜2、螺旋相位片2。
外腔半导体激光器2用于产生垂直偏振泵浦光2。垂直偏振泵浦光2的波长为1475nm，功率为18.5mW，其频率被调节到正好满足双光子跃迁5S1/2→4D5/2条件。沿光路依次设置螺旋相位片2、偏振分束器2、半波片2、透镜2。螺旋相位片2用于给垂直偏振泵浦光2加载轨道角动量光场。半波片2和偏振分束器2对垂直偏振泵浦光2进行调节。调节后的垂直偏振泵浦光2由焦距为200mm的透镜2进行聚焦，以增强非线性效应。
合束器采用长通双色反射镜(Thorlabs DMLP1000)，用于将水平偏振泵浦光1和垂直偏振泵浦光2合束为一束泵浦光。长通双色反射镜的透射窗口为1020-1550nm，反射窗口为520-985nm。
铷泡长5厘米，其温度稳定为65摄氏度，相应的原子密度为4.97×1011cm-3。合束后的泵浦光连续作用在铷泡上，并聚焦于铷泡的中间，焦点处的束腰约为50.6μm。合束泵浦光中的水平偏振泵浦光1和垂直偏振泵浦光2与铷85原子相互作用，产生波长为780nm和1530nm的光子对。
本实施例通过铷85原子系统中的自发四波混频过程产生非经典关联的双色光子对，产生的光子的波长分别为780nm和1530nm，它们分别对应着大气和光纤的透射窗口，因此这些光子对适合用于空间和光纤网络的混合光通信。本实施例涉及到的四个能级分别是：5S1/2(F＝3)，5P1/2(F′＝3)，5P3/2(F′＝3)和4D5/2(F″＝4)。图2显示了这四个能级构成的菱形结构。
由于光子对是通过四波混频过程产生的，因此会满足相位匹配和能量守恒条件，其出射方向与泵浦光共线。
分束器采用长通双色反射镜，用于将双色光子对分开，产生信号1和信号2。
第一调制光路包括：空间光调制器1(SLM，Holoeye PLUTO)、单模光纤1、雪崩光电二极管(PerkinElmer SPCM-AQR-15-FC，50％efficiency)、数字延时脉冲发生器和红外单光子探测器。
空间光调制器1被用作后项选择工具，将信号1投影到轨道角动量模式上。之后信号1被耦合头以85％的效率耦合到单模光纤1中。雪崩光电二极管1对单模光纤1输出的信号1进行探测。信号1的单光子触发雪崩二极管产生脉冲信号。数字延时脉冲发生器延时雪崩二极管产生的脉冲信号，延时的脉冲信号触发红外单光子探测器。
第二调制光路包括：空间光调制器2(SLM，Holoeye PLUTO)、单模光纤2、多模光纤、门控模式的探测器(Qasky WT-SPD100，InGaAs单光子探测器，效率10％)。
空间光调制器2被用作后项选择工具，将信号2投影到与信号1不同的轨道角动量模式上。之后信号2被耦合头以76％的效率耦合到单模光纤2中。单模光纤输出的信号2经100米长的多模光纤延时500ns后，被门控模式的探测器探测。
进一步地，由于本实施例的装置采用共线的几何结构，泵浦光是主要的噪声源。除了利用偏振分束器在偏振自由度上对泵浦光进行隔离，本实施例的第一调制光路包括还可以包括：三个干涉滤波片(Semrock 780nm maxline)，在频率自由度上对信号1进行滤波。同样，第二调制光路包括还可以包括：三个带通滤波片(Semrock 1535nm single band)，对信号2进行滤波。
进一步地，由于半导体激光器的发光特性，使得泵浦光中含有一定量的宽谱背景荧光，本实施例的第一泵浦光源还可以包括：设置于透镜1后、合束器前的808nm的干涉滤波片(Semrock 808nm maxline)，以合适的角度放置在水平偏振泵浦光1的路径中，用来在水平偏振泵浦光1进入铷泡前将背景荧光滤掉。第二泵浦光源还可以包括：设置于透镜2后、合束器前的一块光栅，以对垂直偏振泵浦光2进行纯化。
经过以上方式降低噪声后，在单一泵浦光的作用下只有暗计数水平的噪声了。本公开最后得到了很好的双光子信噪比，信号的信噪比达到了0.98±0.005。这里信噪比定义为(S-N)/(S+N)，其中S为零延时处的信号符合率，N是非零延时处的平均噪声水平。最后的到二阶关联符合函数如图3所示。
本公开通过在空间光调制器上加载不同的轨道角动量位相，然后探测不同基矢下的符合计数，最后通过mathematica计算出纠缠态的密度矩阵，对调制前后的纠缠的性能进行了对比。发现通过在泵浦光分别调制l＝±2轨道角动量的时候，可以得到最大纠缠态。
当泵浦光是高斯光场时，测得的轨道角动量模式强度分布矩阵如图4(a)所示。可以在不改变总轨道角动量的情况下调节纠缠态。泵浦光加载相反的轨道角动量l＝±2时，光子对轨道角动量模式的分布如图4(b)所示。很明显，产生的信号光的轨道角动量分布得到了很好的调制。
为了确定光子对在三维子空间下量子态整体的变化，本公开在泵浦光加载轨道角动量前后都对光子对进行了三维层析测量。这里定义|L＞，|G＞和|R＞分别对应着轨道角动量为0和/>的态。密度矩阵是通过81个符合测量结果重构出来的，这81个符合测量对应着信号光1和2分别在九个基矢上的符合计数率。这九个基矢分别为：/> 这些测量是通过空间光调制器和单模光纤来完成的。
图5(a)、图5(b)分别是高斯泵浦光条件下重构密度矩阵的实部和虚部。图5(c)、图5(d)是泵浦光携带轨道角动量的重构密度矩阵的实部和虚部。利用公式F＝<MES|ρexp|MES>可以计算出重构密度矩阵ρexp相对于最大纠缠态的保真度，其中|MES＞为最大纠缠态/>计算得到高斯泵浦光条件下的保真度为Fl＝0＝57.8％±1.4％，轨道角动量(l＝±2)泵浦光条件下的保真度则为Fl＝±2＝70％±1.8％。如果实验得到的保真度Fexp＞2/3，则光子对之间的纠缠维数大于等于3。当泵浦光加载上轨道角动量，光子对量子态的保真度超过了2/3，这表明产生的最大纠缠态的性能得到了明显的提升。
至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种制备轨道角动量最大纠缠态的装置，其特征在于，包括：
第一泵浦光源，用于产生水平偏振泵浦光，所述第一泵浦光源包括：
外腔半导体激光器，用于产生水平偏振泵浦光；
沿光路依次设置的：螺旋相位片、偏振分束器、半波片和透镜；螺旋相位片用于给水平偏振泵浦光加载轨道角动量光场，半波片和偏振分束器对水平偏振泵浦光进行调节，透镜对调节后的水平偏振泵浦光聚焦；第二泵浦光源，用于产生垂直偏振泵浦光，所述第二泵浦光源包括：
外腔半导体激光器，用于产生垂直偏振泵浦光；
沿光路依次设置的：螺旋相位片、偏振分束器、半波片和透镜；螺旋相位片用于给垂直偏振泵浦光加载轨道角动量光场，半波片和偏振分束器对垂直偏振泵浦光进行调节，透镜对调节后的垂直偏振泵浦光聚焦；合束器，设置于所述第一泵浦光源和第二泵浦光源的光路下游位置，用于将所述水平偏振泵浦光和垂直偏振泵浦光合束为一束泵浦光；
铷泡，设置于所述合束器的光路下游位置，在泵浦光的连续作用下产生双色光子对；
分束器，设置于所述铷泡的光路下游位置，用于将双色光子对分开，产生第一信号和第二信号；
第一调制光路，设置于所述分束器的光路下游位置，用于向第一信号加载第一轨道角动量位相，所述第一调制光路包括：
空间光调制器，将第一信号投影到轨道角动量模式上；
单模光纤，用于耦合第一信号；
雪崩光电二极管，对单模光纤输出的第一信号进行探测而产生脉冲信号；
数字延时脉冲发生器，延时脉冲信号；
红外单光子探测器，被延时的脉冲信号触发；
第二调制光路，设置于所述分束器的光路下游位置，用于向第二信号加载不同于第一轨道角动量位相的第二轨道角动量位相，所述第二调制光路包括：
空间光调制器，将第二信号投影到与第一信号不同的轨道角动量模式上；
单模光纤，用于耦合第二信号；
多模光纤，对单模光纤输出的第二信号延时；
门控模式的探测器，探测延时的第二信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述合束器和分束器采用长通双色反射镜。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一调制光路还包括：三个干涉滤波片，在频率自由度上对第一信号进行滤波。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二调制光路包括还包括：三个带通滤波片，对第二信号进行滤波。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一泵浦光源还包括：干涉滤波片，用于滤除水平偏振泵浦光的背景荧光。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二泵浦光源还包括：一块光栅，用于对垂直偏振泵浦光进行纯化。
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