CN108712249B - 相位纠缠编码方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于光子对的相位纠缠编码方法和用于光子对的相位纠缠编码装置，其中所述方法包括：将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码；以及将转换为相位编码的第一光子和第二光子形成相位纠缠光子对。相位编码在光纤信道具有抗环境干扰、稳定传输的优势，利用本发明的相位纠缠编码装置，有助于实现光纤信道抗环境干扰的量子纠缠分发、量子隐形传态、量子密钥分发等应用需求。

Description

相位纠缠编码方法和装置
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域中的光传输保密通信技术，尤其涉及一种相位纠缠编码方法和装置。
背景技术
量子信息是量子力学与经典信息理论相结合的一个交叉热点研究领域，而量子纠缠是量子信息乃至量子理论的一个基础核心研究内容。量子纠缠在量子通信、量子计算以及量子传感等领域发挥着至关重要的作用，是实现基于EPR协议的量子密钥分配、量子隐形传态、量子中继、量子网络、量子成像等的基础理论和关键技术。
纠缠光子对是实现量子纠缠最主要的方式，纠缠光子对中相互关联的物理量一般为偏振(自旋角动量)、轨道角动量、动量、时间等，对应的纠缠光子对为偏振纠缠光子对、轨道角动量纠缠光子对、动量纠缠光子对、时间纠缠光子对等。目前，偏振纠缠光子对是最为常用的，其产生方法较为成熟，广泛应用于在自由空间量子纠缠分发、量子隐形传态、量子密钥分配等诸多实验中。在量子通信中相位编码和偏振编码是光量子最重要和最常用的两种编码方式，不过，偏振纠缠光子对在光纤信道中传输时存在偏振态易受环境干扰而难以稳定保持的难题。
因此，亟需一种改进的纠缠光子对的相关技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种用于光子对的相位纠缠编码方法和装置，用以解决相位纠缠光子对产生的难题，以及实现纠缠光子对在光纤信道中抗干扰稳定传输的难题，实现光纤信道量子纠缠分发、量子隐形传态、量子密钥分发等应用。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于光子对的相位纠缠编码方法，所述方法包括：
将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码；以及
将转换为相位编码的第一光子和第二光子形成相位纠缠光子对；
其中，所述将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码包括：
对所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别执行偏振转相位编码操作，所述偏振转相位编码操作包括：
通过偏振分束器将所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的每一个都分束为在两条子光路上传输的光子，通过分别设置于所述两条子光路上的相位编码器，对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码，并通过合束器将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子，其中所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
优选的，在对一个光子进行的所述偏振转相位编码操作中，所述分别设置于所述两条子光路上的相位编码器对所述两条子光路上传输的光子进行相位编码的相位相差180度。
优选的，在对一个光子进行的所述偏振转相位编码操作中，在所述两条子光路上传输的光子同步到达所述合束器，并合束为一条光路输出的光子。
优选的，所述偏振分束器的正交基的本征态与所述第一光子或第二光子的正交偏振态相同，所述偏振分束器将所述第一光子或第二光子的正交偏振态分束到所述两条子光路上。
优选的，在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态相同的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器；
在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态为正交偏振态的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器或偏振合束器；当所述合束器采用偏振合束器时，在所述两条子光路上传输的光子的正交偏振态为所述偏振合束器的正交基的本征态。
优选的，通过以下方式至少之一使所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态：
在所述合束器之后设置起偏器；
在所述偏振分束器和所述合束器之间的两条子光路上分别设置起偏器；或者
在所述偏振分束器和所述合束器之间的一条或两条子光路上设置偏振控制器。
优选的，所述偏振分束器、所述相位编码器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振控制型器件，对光路中光子的偏振态进行控制，使得所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，所述相位纠缠编码装置包括：偏振纠缠光源和两个偏振转相位编码装置，其中，
所述偏振纠缠光源被配置为产生偏振纠缠光子对，所述偏振纠缠光子对包括偏振编码的第一光子和第二光子；
所述两个偏振转相位编码装置被配置为分别接收所述偏振编码的第一光子和第二光子并且将偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码，其中转换为相位编码的所述第一光子和第二光子能够形成相位纠缠光子对。
优选的，所述偏振转相位编码装置包括：偏振分束器、相位编码器以及合束器；
所述偏振分束器被配置为将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的一个光子分束为在两条子光路上传输的光子；
所述相位编码器分别设置于所述两条子光路上，所述相位编码器用于对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码；
所述合束器被配置为将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子。
优选的，所述分别设置于所述两条子光路上的相位编码器对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码的相位相差180度。
优选的，所述合束器被配置为接收同步到达所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子，并将在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子。
优选的，所述偏振分束器的正交基的本征态与所述第一光子或第二光子的正交偏振态相同，所述偏振分束器将所述第一光子或第二光子的正交偏振态分束到所述两条子光路上。
优选的，在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态相同的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器；
在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态为正交偏振态的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器或偏振合束器；当所述合束器采用偏振合束器时，在所述两条子光路上传输的光子的正交偏振态为所述偏振合束器的正交基的本征态。
优选的，所述相位编码器采用以下任意一种：不等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂迈克尔逊干涉仪或不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪；
当所述相位编码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪或不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪时，所述偏振合束器与所述偏振分束器为同一器件。
优选的，所述偏振转相位编码装置还包括：起偏器或偏振控制器；所述起偏器或偏振控制器用于控制所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态；
当所述偏振转相位编码装置包括起偏器时，所述起偏器设置于所述合束器之后，或者所述起偏器分别设置于所述偏振分束器和所述合束器之间的两条子光路上；或者
当所述偏振转相位编码装置包括偏振控制器时，所述偏振控制器设置于所述偏振分束器和所述合束器之间的一条或两条子光路上。
优选的，所述偏振分束器、所述相位编码器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振控制型器件，对光路中光子的偏振态进行控制，使得所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
目前，纠缠光子主要实现方式为光子偏振纠缠、轨道角动量纠缠、动量纠缠、时间纠缠等。相位编码在光纤信道中由于具有良好的抗环境干扰优势得到广泛应用。然而，相位纠缠光子对以及关于相位纠缠光子对的产生方法鲜有报道。本发明提出了一种产生相位纠缠光子对的方法和装置的实现方案。本发明方法简单、易于实现。
附图说明
图1为本发明第一实施例的用于光子对的相位纠缠编码方法的流程图；
图2为本发明第二实施例的用于光子对的相位纠缠编码装置的组成结构示意图；
图3为本发明第三实施例的偏振转相位编码装置的组成结构示意图；
图4为本发明第四实施例的偏振转相位编码装置的组成结构示意图；
图5为本发明第五实施例的偏振转相位编码装置的组成结构示意图；
图6为本发明第六实施例的偏振转相位编码装置的组成结构示意图；
图7为本发明第七实施例的偏振转相位编码装置的组成结构示意图；
图8为本发明第八实施例的偏振转相位编码装置的组成结构示意图；
图9为本发明第九实施例的不等臂马赫-曾德尔干涉仪的组成结构示意图；
图10为本发明第十实施例的不等臂迈克尔逊干涉仪的组成结构示意图；
图11为本发明第十一实施例的不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪的组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体说明。
本发明实施例的主要目的是提供一种用于光子对的相位纠缠编码方法和相应的用于光子对的相位纠缠编码装置。在一个实施例中，所述方法包括：将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码；以及将转换为相位编码的第一光子和第二光子形成相位纠缠光子对；其中，所述将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码包括：对所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别执行偏振转相位编码操作，所述偏振转相位编码操作包括：通过偏振分束器将所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的每一个都分束为在两条子光路上传输的光子，通过分别设置于所述两条子光路上的相位编码器，对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码，并通过合束器将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子，其中所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
下面将通过几个具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明第一实施例，一种用于光子对的相位纠缠编码方法，如图1所示，包括以下具体步骤：
步骤S101：将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码；以及
步骤S102：将转换为相位编码的两个光子形成相位纠缠光子对。
具体的，偏振纠缠光源产生一对偏振纠缠光子。偏振纠缠光子对的偏振态是一组正交偏振态，常用的正交偏振态为水平和垂直极化的一组线偏振态、45度和－45度极化的一组线偏振态、左旋和右旋圆极化的一组圆偏振态。以水平和垂直极化的一组线偏振态为例，偏振纠缠光源产生的一对偏振纠缠光子是四个Bell态
Figure BDA0001669488990000071
Figure BDA0001669488990000072
中的任意一个，其中，H和V分别表示水平和垂直偏振态，下标1和2分别表示第一光子和第二光子。
进一步的，所述将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码，包括：
对所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别执行偏振转相位编码操作，所述偏振转相位编码操作包括：
通过偏振分束器将所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的每一个都分束为在两条子光路上传输的光子，通过分别设置于所述两条子光路上的相位编码器，对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码，并通过合束器将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子，其中所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
优选的，在对一个光子进行的所述偏振转相位编码操作中，所述分别设置于所述两条子光路上的相位编码器对所述两条子光路上传输的光子进行相位编码的相位相差180度。
优选的，在对一个光子进行的所述偏振转相位编码操作中，在所述两条子光路上传输的光子同步到达所述合束器，并合束为一条光路输出的光子。
优选的，所述偏振分束器的正交基的本征态与所述第一光子或第二光子的正交偏振态相同，所述偏振分束器将所述第一光子或第二光子的正交偏振态分束到所述两条子光路上。
优选的，在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态相同的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器；
在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态为正交偏振态的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器或偏振合束器；当所述合束器采用偏振合束器时，在所述两条子光路上传输的光子的正交偏振态为所述偏振合束器的正交基的本征态。
更进一步的，可以通过以下方式至少之一使所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态：
在所述合束器之后设置起偏器；
在所述偏振分束器和所述合束器之间的两条子光路上分别设置起偏器；或者
在所述偏振分束器和所述合束器之间的一条或两条子光路上设置偏振控制器。
此外，所述偏振分束器、所述相位编码器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振控制型器件，对光路中光子的偏振态进行控制，使得所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
另一方面，本发明提供一种用于光子对的相位纠缠编码装置，其包括：偏振纠缠光源和两个偏振转相位编码装置，其中，所述偏振纠缠光源被配置为产生偏振纠缠光子对，所述偏振纠缠光子对包括偏振编码的第一光子和第二光子；所述两个偏振转相位编码装置被配置为分别接收所述偏振编码的第一光子和第二光子并且将偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码，其中转换为相位编码的所述第一光子和第二光子能够形成相位纠缠光子对。
本发明第二实施例，一种用于光子对的相位纠缠编码装置，如图2所示，具体包括以下组成部分：偏振纠缠光源201和两个偏振转相位编码装置202。
其中，所述偏振纠缠光源201用于产生偏振纠缠光子对。
所述两个偏振转相位编码装置202用于将偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码。
具体的，所述偏振转相位编码装置包括：偏振分束器、相位编码器以及合束器；
所述偏振分束器被配置为将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的一个光子分束为在两条子光路上传输的光子；
所述相位编码器分别设置于所述两条子光路上，所述相位编码器用于对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码；
所述合束器被配置为将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子。
优选的，所述分别设置于所述两条子光路上的相位编码器对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码的相位相差180度。
优选的，所述合束器被配置为接收同步到达所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子，并将在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子。
优选的，所述偏振分束器的正交基的本征态与所述第一光子或第二光子的正交偏振态相同，所述偏振分束器将所述第一光子或第二光子的正交偏振态分束到所述两条子光路上。
进一步的，所述合束器包括：偏振无关合束器或偏振合束器。在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态相同的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器；在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态为正交偏振态的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器或偏振合束器。当合束器使用所述偏振合束器时，在所述两条子光路上传输的光子的正交偏振态为所述偏振合束器的正交基的本征态。
进一步的，所述相位编码器可以采用以下任意一种：不等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂迈克尔逊干涉仪或不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪。当所述相位编码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪或不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪时，所述偏振合束器与所述偏振分束器为同一器件。
进一步的，所述偏振转相位编码装置还包括：起偏器或偏振控制器；所述起偏器或偏振控制器用于控制所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态；
当所述偏振转相位编码装置包括起偏器时，所述起偏器设置于所述合束器之后，或者所述起偏器分别设置于所述偏振分束器和所述合束器之间的两条子光路上；或者
当所述偏振转相位编码装置包括偏振控制器时，所述偏振控制器设置于所述偏振分束器和所述合束器之间的一条或两条子光路上。
此外，所述偏振分束器、所述相位编码器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振控制型器件，对光路中光子的偏振态进行控制，使得所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
本发明第三实施例，一种偏振转相位编码装置，如图3所示，具体包括以下组成部分：偏振分束器301、两个相位编码器302和305、两个反射镜303和304、合束器306，以及起偏器307。
偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的任意一个光子输入至偏振分束器301，偏振分束器301将入射光子的两个正交偏振态分束到两条子光路传输。一路经过相位编码器302进行相位编码后，通过反射镜303反射至合束器306的一个输入端口；另一路通过反射镜304反射后，经相位编码器305进行相位编码并输出至合束器306的另一个输入端口。两条子光路同步到达合束器306，合束器306将两条子光路传输的光子合束后输出至起偏器307。起偏器307使入射光子的两个偏振态有相同的概率通过并输出。合束器306可使用偏振合束器也可使用偏振无关合束器。反射镜303和304用于调节光路的传播方向，也可用波导器件替代进行光子传输以及调节光路的传播方向。在偏振转相位编码装置中，传导光使用的分立器件和波导器件、相位编码器、偏振分束器、合束器、起偏器等均为偏振控制型器件。
本发明第四实施例，一种偏振转相位编码装置，如图4所示，具体包括以下组成部分：偏振分束器401、两个相位编码器402和403，以及起偏器404。
纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的任意一个光子经偏振分束器401的第一端口A输入，偏振分束器401将入射光子的两个正交偏振态分束到两条子光路传输。一路由偏振分束器401的第三端口C输出至相位编码器402进行相位编码，经反射后由相位编码器402输入端口输出至偏振分束器401。另一路由偏振分束器401第四端口D输出至相位编码器403进行相位编码，经反射后由相位编码器403输入端口输出至偏振分束器401。相位编码器402和403采用不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪。反射回来的两路光子同步到达偏振分束器401合束为一路，并由偏振分束器401第二端口B输出至起偏器404，起偏器404使入射光子的两个偏振态有相同的概率通过并输出。在偏振转相位编码装置中，传导光使用的分立器件和波导器件、相位编码器、偏振分束器、起偏器等均为偏振控制型器件。
本发明第五实施例，一种偏振转相位编码装置，如图5所示，具体包括以下组成部分：光环形器501、偏振分束器502、两个相位编码器503和504，以及起偏器505。
纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的任意一个光子经光环形器501的第一端口A输入，并经光环形器501的第二端口B输出至偏振分束器502。偏振分束器502将入射光子的两个正交偏振态分束到两条子光路传输。一路经相位编码器503进行相位编码，经反射后由相位编码器503的输入端口输出至偏振分束器502。另一路经相位编码器504进行相位编码，经反射后由相位编码器504的输入端口输出至偏振分束器502。相位编码器503和504采用不等臂迈克尔逊干涉仪。反射回来的两路光子同步到达偏振分束器502合束为一路，并经偏振分束器502的输入端口输出至光环形器501的第二端口B，光环形器501将第二端口B输入的光子传输至光环形器第三端口C并输出至起偏器505，起偏器505使入射光子的两个偏振态有相同的概率通过并输出。在偏振转相位编码装置中，传导光使用的分立器件和波导器件、相位编码器、偏振分束器、光环形器、起偏器等均为偏振控制型器件。
本发明第六实施例，一种偏振转相位编码装置，如图6所示，具体包括以下组成部分：偏振分束器601、两个相位编码器602和606、两个反射镜604和605、两个起偏器603和607，以及合束器608。
纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的任意一个光子输入至偏振分束器601，偏振分束器601将入射光子的两个正交偏振态分束到两条子光路。一路经过相位编码器602进行相位编码后，通过起偏器603出射至反射镜604，经反射镜604反射至合束器608的一个入射端口；另一路通过反射镜605反射后，经相位编码器606进行相位编码并输出至起偏器607，经过起偏器607输出至合束器608的另一个输入端口。两条子光路同步到达合束器608。起偏器603和607使两条子光路输出的光子的偏振态相同，并有相同的概率分别通过起偏器603和607。在偏振转相位编码装置中，传导光使用的分立器件和波导器件、相位编码器、偏振分束器、合束器、起偏器等均为偏振控制型器件。反射镜604和605用于调节光路的传播方向，也可用波导器件替代进行光子传输以及调节光路的传播方向。改变相位编码器602和起偏器603之间的顺序，以及改变相位编码器606和起偏器607之间的顺序，结果不受影响。
本发明第七实施例，一种偏振转相位编码装置，如图7所示，具体包括以下组成部分：偏振分束器701、两个相位编码器702和706、两个反射镜704和705、两个偏振控制器703和707，以及合束器708。
纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的任意一个光子输入至偏振分束器701，偏振分束器701将入射光子的两个正交偏振态分束到两条子光路传输。一路经过相位编码器702进行相位编码后，通过偏振控制器703调制偏振态后出射至反射镜704，经反射镜704反射至合束器708的一个入射端口；另一路通过反射镜705反射后，经相位编码器706进行相位编码并输出至偏振控制器707，经过偏振控制器707调制偏振态后输出至合束器708的另一个输入端口。两条子光路同步到达合束器708。调制偏振控制器703和707使两条子光路传输的光子处在相同的偏振态入射至合束器708。在偏振转相位编码装置中，传导光使用的分立器件和波导器件、相位编码器、偏振分束器、合束器、偏振控制器等均为偏振控制型器件。反射镜704和705用于调节光路的传播方向，也可用波导器件替代进行光子传输以及调节光路的传播方向。改变相位编码器702和偏振控制器703之间的顺序，以及改变相位编码器706和偏振控制器707之间的顺序，结果不受影响。
本发明第八实施例，一种偏振转相位编码装置，如图8所示，具体包括以下组成部分：偏振分束器801、两个相位编码器802和806、两个反射镜804和805、偏振控制器803，以及合束器807。
纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的任意一个光子输入至偏振分束器801，偏振分束器801将入射光子的两个正交偏振态分束到两条子光路。一路经过相位编码器802进行相位编码后，通过偏振控制器803调制偏振态后出射至反射镜804，经反射镜804反射至合束器807的一个入射端口；另一路通过反射镜805反射后，经相位编码器806进行相位编码并输出至合束器807的另一个输入端口。两条子光路同步到达合束器807。偏振控制器803调制该光路输入至合束器807的偏振态与另一光路输入至合束器807的偏振态一致。在偏振转相位编码装置中，传导光使用的分立器件和波导器件、相位编码器、偏振分束器、合束器、偏振控制器等均为偏振控制型器件。反射镜804和805用于调节光路的传播方向，也可用波导器件替代进行光子传输以及调节光路的传播方向。改变相位编码器802和偏振控制器803之间的顺序，结果不受影响。偏振控制器803放置于另一光路时，结果不受影响。
本发明第九实施例，一种不等臂马赫-曾德尔干涉仪，如图9所示，具体包括以下组成部分：两个2×2的3dB偏振保持分束器903和906、偏振保持延时线904，以及一个偏振保持相位调制器905。
3dB偏振保持分束器903的一侧的两个端口901和902之一作为相位编码器的输入端，3dB偏振保持分束器906的另一侧的两个端口907和908之一作为相位编码器的输出端，偏振保持延时线904和偏振保持相位调制器905分别插入马赫-曾德尔干涉仪的两个臂。工作时，光子经偏振保持分束器903的端口901或902进入偏振保持分束器903分成两路传输，一路经过偏振保持延时线904延时，另一路经偏振保持相位调制器905进行相位调制，相对延时后的在两条光路上传输的光子经偏振保持分束器906合成一路由端口907或908输出。当偏振保持延时线904和偏振保持相位调制器905位于马赫-曾德尔干涉仪的同一臂时，上述结果不受影响。
本发明第十实施例，一种不等臂迈克尔逊干涉仪，如图10所示，具体包括以下组成部分：2×2的3dB偏振保持分束器1003、两个反射镜1005和1007、偏振保持相位调制器1006，以及偏振保持延时线1004。
3dB偏振保持分束器1003的一侧的两个端口1001和1002分别作为相位编码器的输入和输出端，3dB偏振保持分束器1003的另一侧的两端口之一依次连接偏振保持延时线1004、反射镜1005，同侧另一端口则顺序连接偏振保持相位调制器1006、反射镜1007。工作时，光子经偏振保持分束器1003的端口1001进入偏振保持分束器1003分成两路传输，一路经偏振保持延时线1004延时，由反射镜1005反射回来，另一路经偏振保持相位调制器1006进行相位调制后再经反射镜1007反射回来，反射回来的在两条光路上传输的光子经偏振保持分束器1003合成一路由端口1002输出。当偏振保持延时线1004和偏振保持相位调制器1006串接在同一端口时，上述结果不受影响。光子由1002端口输入、1001端口输出和以端口1001或1002同时作为输入和输出时结果相同。
本发明第十一实施例，一种不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪，如图11所示，具体包括以下组成部分：2×2的3dB分束器1103、两个90度旋转法拉第反射镜1105和1107、延时线1104，以及相位调制器1106。
3dB分束器1103的一侧的两个端口1101和1102分别作为相位编码器的输入和输出端，3dB分束器1103的另一侧的两端口之一依次连接延时线1104、90度旋转法拉第反射镜1105，同侧另一端口则顺序连接相位调制器1106、90度旋转法拉第反射镜1107。工作时，光子经分束器1103的端口1101进入分束器1103分成两路传输，一路经过延时线1104延时，由90度旋转法拉第反射镜1105反射回来，另一路经相位调制器1106进行相位调制后再经90度旋转法拉第反射镜1107反射回来，反射回来的在两条光路上传输的光子经分束器1103合成一路由端口1102输出。当相位调制器1104和延时线1106串接在同一端口时，上述结果不受影响。光子由1102端口输入、1101端口输出和以端口1101或1102同时作为输入和输出时结果相同。
本发明实施例中介绍的相位纠缠方法和装置，将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码；以及将转换为相位编码的第一光子和第二光子形成相位纠缠光子对；其中，所述将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码包括：对所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别执行偏振转相位编码操作，所述偏振转相位编码操作包括：通过偏振分束器将所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的每一个都分束为在两条子光路上传输的光子，通过分别设置于所述两条子光路上的相位编码器，对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码，并通过合束器将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子，其中所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。相位编码在光纤信道具有良好地抗环境干扰优势得到广泛应用。然而，相位纠缠光子对鲜有报道，本发明提出了一种产生相位纠缠的方法和装置实现方案。本发明方法简单、易于实现。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
尽管已经详细地说明了示例实施例，前述说明在所有方面都是说明性的而不是限制性的。应当理解，可以设计出多个其它改型和变体而不偏离示例实施例的范围，这些都落入本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种用于光子对的相位纠缠编码方法，其特征在于，所述方法包括：
将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码；以及
将转换为相位编码的第一光子和第二光子形成相位纠缠光子对；
其中，所述将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码包括：
对所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别执行偏振转相位编码操作，所述偏振转相位编码操作包括：
通过偏振分束器将所述偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的每一个都分束为在两条子光路上传输的光子，通过分别设置于所述两条子光路上的相位编码器，对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码，并通过合束器将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子，其中所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对一个光子进行的所述偏振转相位编码操作中，所述分别设置于所述两条子光路上的相位编码器对所述两条子光路上传输的光子进行相位编码的相位相差180度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对一个光子进行的所述偏振转相位编码操作中，在所述两条子光路上传输的光子同步到达所述合束器，并合束为一条光路输出的光子。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏振分束器的正交基的本征态与所述第一光子或第二光子的正交偏振态相同，所述偏振分束器将所述第一光子或第二光子的正交偏振态分束到所述两条子光路上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态相同的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器；
在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态为正交偏振态的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器或偏振合束器；当所述合束器采用偏振合束器时，在所述两条子光路上传输的光子的正交偏振态为所述偏振合束器的正交基的本征态。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，通过以下方式至少之一使所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态：
在所述合束器之后设置起偏器；
在所述偏振分束器和所述合束器之间的两条子光路上分别设置起偏器；或者
在所述偏振分束器和所述合束器之间的一条或两条子光路上设置偏振控制器。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述偏振分束器、所述相位编码器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振控制型器件，对光路中光子的偏振态进行控制，使得所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
8.一种用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，所述相位纠缠编码装置包括：偏振纠缠光源和两个偏振转相位编码装置，其中，
所述偏振纠缠光源被配置为产生偏振纠缠光子对，所述偏振纠缠光子对包括偏振编码的第一光子和第二光子；
所述两个偏振转相位编码装置被配置为分别接收所述偏振编码的第一光子和第二光子并且将偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子分别由偏振编码转换为相位编码，其中转换为相位编码的所述第一光子和第二光子能够形成相位纠缠光子对，并且所述偏振转相位编码装置包括：偏振分束器、相位编码器、合束器以及起偏器或偏振控制器；
所述偏振分束器被配置为将偏振纠缠光源产生的偏振纠缠光子对中的第一光子和第二光子中的一个光子分束为在两条子光路上传输的光子；
所述相位编码器分别设置于所述两条子光路上，所述相位编码器用于对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码；
所述合束器被配置为将经过相位编码后的在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子；
所述起偏器或偏振控制器用于控制所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
9.根据权利要求8所述的用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，所述分别设置于所述两条子光路上的相位编码器对在所述两条子光路上传输的光子进行相位编码的相位相差180度。
10.根据权利要求8或9所述的用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，所述合束器被配置为接收同步到达所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子，并将在所述两条子光路上传输的光子合束为一条光路输出的光子。
11.根据权利要求8或9所述的用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，所述偏振分束器的正交基的本征态与所述第一光子或第二光子的正交偏振态相同，所述偏振分束器将所述第一光子或第二光子的正交偏振态分束到所述两条子光路上。
12.根据权利要求8或9所述的用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态相同的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器；
在入射至所述合束器的在所述两条子光路上传输的光子的偏振态为正交偏振态的情况下，所述合束器采用偏振无关合束器或偏振合束器；当所述合束器采用偏振合束器时，在所述两条子光路上传输的光子的正交偏振态为所述偏振合束器的正交基的本征态。
13.根据权利要求12所述的用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，所述相位编码器采用以下任意一种：不等臂马赫-曾德尔干涉仪、不等臂迈克尔逊干涉仪或不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪；
当所述相位编码器采用不等臂迈克尔逊干涉仪或不等臂法拉第-迈克尔逊干涉仪时，所述偏振合束器与所述偏振分束器为同一器件。
14.根据权利要求8或9所述的用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，
当所述偏振转相位编码装置包括起偏器时，所述起偏器设置于所述合束器之后并且被配置为使入射光子的两个偏振态有相同的概率通过并输出，或者所述起偏器分别设置于所述偏振分束器和所述合束器之间的两条子光路上并且被配置为使该两条子光路输出的光子的偏振态相同并有相同的概率分别通过；或者
当所述偏振转相位编码装置包括偏振控制器时，所述偏振控制器设置于所述偏振分束器和所述合束器之间的一条子光路上，该偏振控制器调制该一条子光路输入至合束器的偏振态与另一子光路输入至合束器的偏振态一致；或者，所述偏振控制器设置于所述偏振分束器和所述合束器之间的两条子光路上，该偏振控制器被配置为使得所述两条子光路传输的光子处在相同的偏振态入射至所述合束器。
15.根据权利要求14所述的用于光子对的相位纠缠编码装置，其特征在于，所述偏振分束器、所述相位编码器、所述合束器、所述偏振控制器、所述起偏器以及传导光使用的分立器件和波导器件均为偏振控制型器件，对光路中光子的偏振态进行控制，使得所述合束为一条光路输出的光子有确定的偏振态。
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