CN109375449B - 一种操控双光子量子干涉曲线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种操控双光子量子干涉曲线的方法，包含两个主要部分，分别是参量光源的制备和改进的可操控双光子量子干涉光路。其中，参量光源的制备通过激光泵浦β‑偏硼酸钡晶体的自发参量下转换实现，并通过使用单模光纤将参量光传输到量子干涉光路中。改进的双光子干涉光路是由两个偏振分束器和一个半波片实现的，其中半波片的快轴角度为22.5度。在第二个偏振分束器的两个输出端口，通过放置两个干涉滤波片可以实现对双光子量子干涉曲线的操控，并且实现简单可行，可以组合使用不同带宽的干涉滤波片可以达到更好的干涉可见度，同时可以控制引入的计数误差，获得更好的实验效果。本发明简单可行，调节方便，实验平台稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于量子光学领域，主要涉及一种操控双光子量子干涉曲线的简单方法。
背景技术
量子干涉在量子信息科学中发挥着非常重要的作用，它是量子操控技术的基础，也是实现量子通信的重要工具。多光子干涉是量子干涉中最普遍的现象之一，而双光子干涉是多光子干涉的一种特殊情况。双光子干涉主要有Hong-Ou-Mandel干涉和Franson干涉两种，主要可以应用于验证Bell不等式、Bell基测量、量子隐形传态和量子逻辑门操作等。
Hong-Ou-Mandel干涉是比较有代表性的双光子干涉实验，最初是由Mandel小组在1987年在实验上实现的。在这个实验中，先通过参量下转换过程产生参量光子对。在这个过程中，一束频率为ω泵浦光与非线性晶体作用，以一定的概率产生一对频率分别为ω1、ω2的孪生光子对，并且满足能量守恒关系ω1+ω2＝ω和动量守恒关系
其中
和
分别是泵浦光、信号光和休闲光的波矢。通过反射镜的反射，将两个光子反射到一个分束器(beam-splitter,BS)上，两个全同光子分别从分束器的两个入射端入射。根据不同的透射和反射，两个光子输出的方式有四种，前两种方式是两个光子分别从两个不同输出端口输出，后两种方式是两个光子从相同的端口输出。在BS的两个输出端口有两个单光子探测器进行探测，当两个光子同时到达BS时，探测器无法分辨后两种情况，并且它们之间的相位差是π，导致干涉相消，两个光子从同一个出口离开分束器，所以探测器的符合计数为0。通过移动反射镜改变两个光子的路径差，并记录相应的探测器符合计数，可以获得完整的量子干涉曲线。
在Hong-Ou-Mandel干涉实验中，参量光子对是通过空间光路反射到BS上的，调节起来非常的不方便，一旦参量光路发生变化，那么后面的光路也会受到影响。干涉光路部分是通过反射镜调节的，调节精度有限，光路的稳定性不好，容易受环境条件的影响。
发明内容
本发明要解决的问题是如何设计一个简单可行、稳定可靠的是实验方案实现对双光子量子干涉曲线的操控，以及调节困难、操作复杂的问题。
基于此，本发明提出一种操控双光子量子干涉曲线的方法，包括自发参量下转换光源的制备和一个可操控的双光子量子干涉光路的设计；
所述自发参量下转换光源，使用I型BBO晶体，泵浦光波长为390nm，经过I型BBO晶体产生参量下转换，得到两束波长为780nm的参量光；
所述可操控的双光子量子干涉光路，包括一个角度为22.5度的半波片、两个偏振分束器和两个干涉滤波片，所述半波片设置于两个偏振分束器之间，所述偏振分束器一个作为光路的光源入口，一个作为光路的光输出口，所述两个干涉滤波片分别设置于作为光输出口的偏振分束器的两个出口处，同时两个干涉滤波片均可根据不同带宽的需求进行更换；
所述自发参量下转换光源输出的两束参量光，通过传输光路进入所述双光子量子干涉光路，所述传输光路为两条，均包含分别设置在所述传输光路两端处的两个半波片，和设置在所述半波片之间的两个准直透镜。
进一步地，所述双光子量子干涉光路中，两个偏振分束器的尺寸均为25.4×25.4×25.4mm，两个干涉滤波片的工作波长均为780nm。
进一步地，在搭建所述双光子量子干涉光路时，各晶体之间应该尽可能的放置紧密，从而最大限度的缩短光程，这样有利于光路的搭建和减少出错的可能。
进一步地，输入干涉光路的双光子的联合谱振幅函数为：
其中，Δk(ω1,ω2)表示自发参量下转换晶体的相位匹配函数，L是晶体的厚度，ω1和ω2分别是自发参量下转换两个参量光的频率，ωp和σ分别是泵浦光的中心频率和频谱宽度；输入的有时间延迟的频谱纠缠态为：
在实验装置中，第一个PBS7、角度为22.5度的HWP8和第二个PBS9对光子的作用可以被简化为一个作用算符
对产生算符的作用如下：
在两个光子通过PBS9之后，输出量子态可以表示为：
在a和b两个探测端的投影算符可以表示为：
其中φa(ωa)和φb(ωb)对应于两个干涉滤波片的谱振幅函数，并且在这里我们认为其是一个高斯谱振幅函数；
对于联合谱振幅函数为f(ω1,ω2)的两个光子，分别在两个端探测一个光子的符合概率为：
简化后可以得到：
其中，τ为两个光子之间的时间延迟。
本发明具有如下优点：
(1)本发明使用了单模光纤将参量下转换光源和双光子涉光路连接在一起了，这样可以将两个不同的光路分隔开，相互之间不会有干扰，并且使用光纤耦合比空间光路更加稳定。
(2)本发明中改进的双光子干涉光路使用了两个偏振分束器和一个半波片的结构，这种结构的干涉光路比使用分束器的干涉光路更加的稳定可靠，调节起来也比较方便。
(3)本发明与现有的双光子干涉相比实现了对双光子干涉曲线的操控，通过使用带宽不同的干涉滤波片可以实现操控双光子干涉曲线，并且可以灵活搭配使用不同带宽的干涉滤波片，实现更好的实验效果。
附图说明
图1为本发明实施例的自发参量下转换过程的原理示意图。
图2为本发明实施例的可操控双光子量子干涉曲线光路的原理示意图。
图3为本发明实施例的包含参量下转换光源的可操控的双光子干涉光路的原理示意图。
其中，1-钛宝石激光器、2-透镜、3-I型BBO晶体、3a-半波片、3b-半波片、4a-准直透镜、4b-准直透镜、5a-准直透镜、5b-准直透镜、6a-半波片、6b-半波片、7-偏振分束器、8-半波片、9-偏振分束器、10a-干涉滤波片、10b-干涉滤波片、11a-准直头透镜、11b-准直头透镜、12a-单光子探测器、12b-单光子探测器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种操控双光子量子干涉曲线的方法，包括自发参量下转换光源的制备和一个可操控的双光子量子干涉光路的设计。
本发明使用了I型参量下转换过程，同时改进了双光子干涉光路，在其中加入了干涉滤波片，实现了对双光子干涉曲线的操控。光源使用的是参量下转换光源，通过透镜将参量光耦合进单模光纤中，并传输到干涉光路中。这样可以很好的分隔光源和干涉光路，避免相互干扰，提高了光路的整体稳定性和操控的灵活性。
本发明改进的双光子量子干涉光路由两个偏振分束器和一个角度为22.5度的半波片构成，两束参量光必须在第一块偏振分束器上完全重合，并从同一个端口离开，并且离开时仍然完全重合在一起，在前后移动光纤末端的位移台时，两束参量光的光路不会发生偏移。
自发参量下转换光源，如图1所示，使用I型BBO晶体3，泵浦光波长为390nm，经过I型BBO晶体3产生参量下转换，得到两束波长为780nm的参量光，并且满足I型相位匹配条件e→o+o，并满足能量守恒ω1+ω2＝ω和动量守恒
可操控的双光子量子干涉光路，如图2所示，包括一个角度为22.5度的半波片、两个偏振分束器和两个干涉滤波片，所述半波片设置于两个偏振分束器之间，所述偏振分束器一个作为光路的光源入口，一个作为光路的光输出口，所述两个干涉滤波片分别设置于作为光输出口的偏振分束器的两个出口处，同时两个干涉滤波片均可根据不同带宽的需求进行更换。
所述双光子量子干涉光路中，两个偏振分束器的尺寸均为25.4×25.4×25.4mm，两个干涉滤波片的工作波长均为780nm。
在该实施例中，如图2和图3所示，非线性晶体的自发参量下转换产生的两束参量光均为V偏振，在经过准直透镜5a和5b射到双光子干涉光路中，还要经过两个半波片6a和6b的作用，通过调节半波片的角度使来自准直透镜5a的光子反射出偏振分束器7，使来自准直透镜5b的光子透过偏振分束器7，再通过半波片8作用后，H偏振光和V偏振光会变为D偏振光和A偏振光，偏振分束器9会将H光和V光分开，最后会有两个干涉滤波片10a和10b对光子进行滤波整形，再通过准直透镜11a和11b耦合到光纤中，并使用单光子探测器探测12a和12b并记录计数。
在搭建所述双光子量子干涉光路时，各晶体之间应该尽可能的放置紧密，从而最大限度的缩短光程，这样有利于光路的搭建和减少出错的可能。
所述自发参量下转换光源输出的两束参量光，通过传输光路进入所述双光子量子干涉光路，所述传输光路为两条，均包含分别设置在所述传输光路两端处的两个半波片，和设置在所述半波片之间的两个准直透镜。
图3为本发明的包含参量下转换光源的可操控双光子干涉曲线光路示意图。如图3所示，该光路包含一个钛宝石激光器1、一个透镜2、一个I型BBO晶体3、两块半波片3a和3b、两个准直透镜4a和4b、两个准直透镜5a和5b、两块半波片6a和6b、一个偏振分束器7、一个半波片8、一个偏振分束器9、两块干涉滤波片10a和10b、两个准直头透镜11a和11b、两个单光子探测器12a和12b。
激光器1提供泵浦激光源。激光器1产生的泵浦激光通过透镜2的聚焦后入射到I型BBO晶体3上。
该实施例中，激光器1采用锁模钛宝石激光器，脉宽100fs，重复频率80MHz，中心波长780nm。
两束参量光的偏振均为V偏振，在耦合进单模光纤前，还要经过半波片3a和3b的作用，由于光纤对光子的偏振有很大的影响，所以在光纤出射端还有两个半波片6a和6b，其与前两个半波片3a和3b共同作用改变光子的偏振为我们所需要的，通过准直透镜将参量光子耦合进单模光纤，再通过准直透镜射出，通过调节半波片6a使从透镜5a过来的光子的偏振变为V偏振并从偏振分束器7上反射出去，通过调节半波片6b使从透镜5b过来的光子的偏振变为H偏振并从偏振分束器7上透射出去，通过调节透镜5a或5b所在的位移台，使两路光子同时到达偏振分束器7，并结合在一起离开，再经过一个22.5度的半波片8，H偏振光和V偏振光会变为D偏振光和A偏振光，调节位移台使两路光子路径差为0，便可以得到一个纠缠态为
的贝尔态，最后再通过偏振分束器9的分束，两个光子要么都从偏振分束器9上透射出去，要么都从偏振分束器9上反射出去。
在耦合进单模光纤送入单光子探测器探测之前，设置两块干涉滤波片10a和10b对光子进行滤波，并且干涉滤波片10a和10b的带宽可以自由切换，从而实现了对双光子量子干涉曲线的操控。最后通过两个准直透镜11a、11b将两个光子耦合进单模光纤并送入单光子探测器12a、12b中探测。单光子探测器12a、12b为硅雪崩式光电二极管，探测效率～65％，暗记数率为100s-1量级。测量数据时，单光子探测器12a、12b的符合窗口设为3ns，并且泵浦功率(单道计数)不宜太高，以保证随机符合计数可以忽略。
输入干涉光路的双光子的联合谱振幅函数为：
其中，Δk(ω1,ω2)表示自发参量下转换晶体的相位匹配函数，L是晶体的厚度，ω1和ω2分别是自发参量下转换两个参量光的频率，ωp和σ分别是泵浦光的中心频率和频谱宽度；输入的有时间延迟的频谱纠缠态为：
在实验装置中，第一个PBS7、角度为22.5度的HWP8和第二个PBS9对光子的作用可以被简化为一个作用算符
对产生算符的作用如下：
在两个光子通过PBS9之后，输出量子态可以表示为：
在a和b两个探测端的投影算符可以表示为：
其中φa(ωa)和φb(ωb)对应于两个干涉滤波片的谱振幅函数，并且在这里我们认为其是一个高斯谱振幅函数。
对于联合谱振幅函数为f(ω1,ω2)的两个光子，分别在两个端探测一个光子的符合概率为：
简化后可以得到：
其中，τ为两个光子之间的时间延迟。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (4)
1.一种操控双光子量子干涉曲线的方法，包括自发参量下转换光源的制备和一个可操控的双光子量子干涉光路的设计，其特征在于：
所述自发参量下转换光源，使用I型BBO晶体，泵浦光波长为390nm，经过I型BBO晶体产生参量下转换，得到两束波长为780nm的参量光；
所述可操控的双光子量子干涉光路，包括一个角度为22.5度的半波片(8)、第一偏振分束器(7)、第二偏振分束器(9)和第一干涉滤波片(10a)、第二干涉滤波片(10b)，角度为22.5度的半波片(8)设置于第一偏振分束器(7)和第二偏振分束器(9)之间，所述第一偏振分束器(7)作为光路的光源入口，第二偏振分束器(9)作为光路的光输出口，所述第一干涉滤波片(10a)和第二干涉滤波片(10b)分别设置于作为光输出口的第二偏振分束器(9)的两个出口处，同时第一干涉滤波片(10a)和第二干涉滤波片(10b)均根据不同带宽的需求进行更换；
所述自发参量下转换光源输出的两束参量光，通过传输光路进入所述双光子量子干涉光路，所述传输光路为两条，一条包含分别设置在两端处的第一半波片(3a)和第四半波片(6b)，和设置在第一半波片(3a)和第四半波片(6b)之间的第一准直透镜(4a)和第四准直透镜(5b)；另一条包含分别设置在两端处的第二半波片(3b)和第三半波片(6a)，和设置在第二半波片(3b)和第三半波片(6a)之间的第二准直透镜(4b)和第三准直透镜(5a)。
2.根据权利要求1所述的一种操控双光子量子干涉曲线的方法，其特征在于：所述双光子量子干涉光路中，两个偏振分束器的尺寸均为25.4×25.4×25.4mm，两个干涉滤波片的工作波长均为780nm。
3.根据权利要求1所述的一种操控双光子量子干涉曲线的方法，其特征在于：在搭建所述双光子量子干涉光路时，各晶体之间放置紧密，从而缩短光程。
4.根据权利要求1所述的一种操控双光子量子干涉曲线的方法，其特征在于：输入干涉光路的双光子的联合谱振幅函数为：
其中，Δk(ω1,ω2)表示自发参量下转换晶体的相位匹配函数，L是晶体的厚度，ω1和ω2分别是自发参量下转换两个参量光的频率，ωp和σ分别是泵浦光的中心频率和频谱宽度；输入的有时间延迟的频谱纠缠态为：
在实验装置中，第一偏振分束器(7)、角度为22.5度的半波片(8)和第二偏振分束器(9)对光子的作用被简化为一个作用算符
对产生算符的作用如下：
在两个光子通过第二偏振分束器(9)之后，输出量子态表示为：
在第一单光子探测器(12a)和第二单光子探测器(12b)的投影算符表示为：
其中φa(ωa)和φb(ωb)对应于两个干涉滤波片的谱振幅函数，是一个高斯谱振幅函数；
对于联合谱振幅函数为f(ω1,ω2)的两个光子，分别在两个端探测一个光子的符合概率为：
简化后得到：
其中，τ为两个光子之间的时间延迟。
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2018
- 2018-12-24 CN CN201811581899.5A patent/CN109375449B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106597467A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-26 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种基于hom干涉原理的测距仪 |
| CN108981935A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-12-11 | 三维通信股份有限公司 | 一种基于自发参量下转换的双光子高维空间纠缠的实现方法 |
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| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109375449A (zh) | 2019-02-22 |
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