CN110297376A - 一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于连续变量非经典光场产生设备技术领域，具体涉及一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，包括单频激光器、电光相位调制器、第一简并光学参量放大器、第二简并光学参量放大器、第一腔长和相位锁定系统、第二腔长和相位锁定系统、两束压缩光相位锁定系统和纠缠光探测系统；所述的电光相位调制器中的电光晶体为楔形电光晶体，利用楔形的电光晶体作为相位调制晶体，减小了相位调制过程中引入的剩余幅度调制，提高了腔长和相位锁定的稳定性和准确性，解决了现有纠缠源稳定性差的问题，具有稳定可靠、结构简单、实用性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于连续变量非经典光场产生设备技术领域，具体涉及一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置。
背景技术
纠缠态光场是量子光学中重要的非经典光场之一，纠缠态光场的两个子系统之间具有较强的量子非局域关联，如果对其中一个子系统进行测量，必然会影响另一个子系统的测量结果。在过去的几十年里，纠缠态光场已经成为量子信息科学领域中的重要资源，在量子通信方面，利用纠缠态光场可以完成量子离物传态、量子密钥分发、量子纠缠交换、量子密集编码等通信协议，使量子通信在信息传输的高效性和安全性等方面达到经典通信无法比拟的效果；在量子计算方面，利用纠缠态光场可以实现快速的量子并行计算，极大的提高了运算速度，具有经典计算无法替代的优势。作为量子信息的核心资源，纠缠态光场的纠缠度和长期稳定性是衡量其性能的关键指标，制备稳定高效的纠缠态光源是实现量子信息的关键和难点。
制备连续变量纠缠态光场的方法主要有两种：一种是利用Ⅱ类非临界相位匹配的非线性晶体，通过非简并光学参量放大器(Nondegenerate optical parametricamplification，NOPA)直接产生纠缠态光场；另一种是利用Ⅰ类非临界相位匹配的非线性晶体，首先通过两个相同的简并光学参量放大器(Degenerate optical parametricamplification，DOPA)产生两束单模压缩态光场，然后将两束单模压缩态光场在50/50光学分束器上进行相干耦合，锁定其相对相位为π/2后，获得纠缠态光场。由于Ⅰ类晶体的非线性系数高于Ⅱ类晶体，利用第二种方法获得的纠缠度较高，我们选择第二种方法制备纠缠态光场。
在连续变量纠缠态光场的制备系统中，需要对多路光学腔长和相对相位进行锁定，其中至少包括：两个DOPA腔光学腔长的锁定和五处光束之间相对相位的锁定，五处相对相位的锁定分别为：两个DOPA腔的参量放大状态或参量反放大状态的锁定(信号光与泵浦光的0或π位相的锁定)；两束单模压缩光相对相位的锁定(π/2位相的锁定)；两套平衡零拍探测系统(Balanced homodyne detection，BHD)相对相位的锁定，当测量待测光场的正交振幅分量时需锁定待测光场与本底光为0位相，当测量待测光场的正交位相分量时需锁定待测光场与本底光为π/2位相。光学腔长和相对相位锁定系统的性能是获得高性能纠缠态光场的关键技术。
然而，在基于电光相位调制的PDH(Pound-Drever-Hall)锁定系统中，电光相位调制器(electro-optical modulator，EOM)不可避免的会引入剩余幅度调制(residualamplitude modulation，RAM)，引起RAM的原因主要是电光晶体的自然双折射效应，当入射光的偏振方向偏离晶体的主轴方向时，由于晶体的双折射效应，会使入射光分解成两个偏振分量o光和e光在晶体内分别进行调制，产生的两个偏振方向的调制光之间存在一定的相位差，并且此相位差会随环境温度的变化而变化，EOM下游的偏振元件会使这两个偏振光束发生干涉，从而引起RAM。另外，晶体的两个平行端面形成的标准具效应，会使两个调制边带的幅度不相等，同样会引起RAM。RAM的存在会使锁腔和锁相的PDH误差信号的零基线随时间漂移，导致腔长和相位的锁定点偏离最佳工作点，严重影响纠缠态光场的纠缠度和长期稳定性。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，包括单频激光器、电光相位调制器、第一简并光学参量放大器、第二简并光学参量放大器、第一腔长和相位锁定系统、第二腔长和相位锁定系统、两束压缩光相位锁定系统和纠缠光探测系统，所述单频激光器为双波长输出单频激光器，为实验提供所需的泵浦光场、信号光场和本底光场；所述电光相位调制器用于对信号光场进行相位调制，以获得锁腔和锁相的误差信号；所述第一简并光学参量放大器和第二简并光学参量放大器用于产生两束单模压缩态光场；所述第一腔长和相位锁定系统和第二腔长和相位锁定系统分别用于锁定第一简并光学参量放大器的腔长和相位以及第二简并光学参量放大器的腔长和相位，使第一简并光学参量放大器和第二简并光学参量放大器运转于参量放大状态或参量反放大状态，获得两束单模正交位相或正交振幅压缩态光场；所述两束压缩光相位锁定系统用于锁定两束单模压缩态光场的相对相位，获得纠缠态光场；所述纠缠光探测系统用于对纠缠光的纠缠度和长期稳定性进行测量；所述电光相位调制器中的电光晶体为楔形电光晶体。
进一步，还包括第一双色镜、第一光学分束器、第二光学分束器、第三光学分束器、第四光学分束器、第一50/50光学分束器、第二双色镜和第三双色镜，所述的单频激光器输出的激光经第一双色镜分成两束：基频光和倍频光；基频光经第一光学分束器分成两束：一束作为信号光，一束作为本底光；信号光经过电光相位调制器进行相位调制之后经过第二光学分束器分成功率相等的两束：第一信号光和第二信号光；本底光经第三光学分束器分成功率相等的第一本底光和第二本底光后进入纠缠光探测系统；倍频光作为泵浦光，经第四光学分束器分成功率相等的两束：第一泵浦光和第二泵浦光；第一信号光和第一泵浦光经第二双色镜合束后注入第一简并光学参量放大器；第二信号光和第二泵浦光经第三双色镜合束后注入第二简并光学参量放大器；第一腔长和相位锁定系统与第一简并光学参量放大器上的第一压电陶瓷和第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷连接，用于锁定第一简并光学参量放大器的腔长和第一信号光与第一泵浦光的相对相位；第二腔长和相位锁定系统与第二简并光学参量放大器上的第三压电陶瓷和第二泵浦光导光镜上的第四压电陶瓷连接，用于锁定第二简并光学参量放大器的腔长和第二信号光与第二泵浦光的相对相位；第一简并光学参量放大器和第二简并光学参量放大器产生的两束单模压缩光在第一50/50光学分束器上进行相干耦合，两束压缩光相位锁定系统与压缩光导光镜上的第五压电陶瓷连接，用于锁定两束压缩光之间的相对相位；第一50/50光学分束器两臂上产生的纠缠光分别为：纠缠光一和纠缠光二；利用纠缠光探测系统对缠光一和纠缠光二的纠缠度和长期稳定性进行测量。
再进一步，所述纠缠光探测系统包括第二50/50光学分束器、第一平衡零拍相位锁定系统、第三50/50光学分束器、第二平衡零拍相位锁定系统、第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器、第一减法器、第三平衡零拍探测器、第四平衡零拍探测器、第二减法器、加法器、频谱分析仪和第三减法器，共组成两套平衡零拍探测系统，纠缠光一与第一本底光在第二50/50光学分束器上进行干涉，第一平衡零拍相位锁定系统与第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷连接，用于锁定第一本底光于纠缠光一的相对位相；纠缠光二与第二本底光在第三50/50光学分束器上进行干涉，第二平衡零拍相位锁定系统与第二本底光导光镜上的第七压电陶瓷连接，用于锁定第二本底光于纠缠光二的相对位相，第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器探测到的交流信号与第一减法器连接，第三平衡零拍探测器和第四平衡零拍探测器探测到的交流信号与第二减法器连接，分别测量纠缠光一和纠缠光二的正交振幅分量噪声与正交位相分量噪声，第一减法器和第二减法器与加法器或第三减法器连接，利用频谱分析仪测量纠缠光一和纠缠光二的正交振幅和与正交位相差的关联噪声，所述第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器、第三平衡零拍探测器和第四平衡零拍探测器完全相同。
更进一步，所述第一简并光学参量放大器和第二简并光学参量放大器参数完全相同，所述第一简并光学参量放大器是内置有非线性晶体的两镜腔或多镜腔，且至少一片腔镜上粘贴有用于控制腔长的压电陶瓷。
更进一步，所述第一简并光学参量放大器和第二简并光学参量放大器中的非线性晶体为Ⅰ类非临界相位匹配的非线性晶体。
更进一步，所述第一双色镜、第二双色镜和第三双色镜均为对基频光高反、倍频光高透的镜片或者是对基频光高透、倍频光高反的镜片；所述第一光学分束器、第二光学分束器、第三光学分束器、第四光学分束器为光学镜片或者是波片与偏振分束棱镜的组合。
更进一步，所述第一腔长和相位锁定系统与第二腔长和相位锁定系统为标准的PDH锁定系统；两束压缩光相位锁定系统为PID电路反馈控制系统；第一平衡零拍相位锁定系统与第二平衡零拍相位锁定系统为标准的PDH锁定系统和PID电路反馈控制系统，且第一腔长和相位锁定系统和第二腔长和相位锁定系统完全相同，第一平衡零拍相位锁定系统和第二平衡零拍相位锁定系统完全相同。
更进一步，还包括第一光电探测器、低频信号源和高频信号源，所述第一腔长和相位锁定系统包括第一开关盒子、第一高压放大器、第一相位延迟器、第一混频器、第一PID电路、第二开关盒子、第二高压放大器、第二相位延迟器、第二混频器和第二PID电路，所述低频信号源输出的低频锯齿波扫描信号经功率分束器分为七路，分别用于扫描两路光学腔长和五路相对相位，其中，低频信号源输出的第一路信号与第一开关盒子连接，经第一高压放大器后连接到第一简并光学参量放大器上的第一压电陶瓷上，用于扫描第一简并光学参量放大器腔长；所述高频信号源输出的高频正弦信号分为两路，一路与电光相位调制器连接，用于提供调制信号，另一路经功率分束器分为六路，分别作为六路混频时的本地信号，高频信号源经功率分束器分出的第一路信号经第一相位延迟器后与第一混频器连接，第一简并光学参量放大器腔前的隔离器用于提取腔的反射信号，并由第一光电探测器进行探测，第一光电探测器输出的锁腔交流信号与第一混频器连接，混频后获得锁腔的误差信号，通过调节第一相位延迟器使锁腔的误差信号达到最佳，将第一混频器与第一PID电路连接，经过第一开关盒子和第一高压放大器后反馈到第一简并光学参量放大器上的第一压电陶瓷上，锁定第一简并光学参量放大器腔长；低频信号源输出的第二路信号与第二开关盒子连接，经第二高压放大器后连接到第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷上，用于扫描第一泵浦光和第一信号光的相对相位；高频信号源经功率分束器分出的第二路信号经第二相位延迟器后与第二混频器连接，第一光电探测器输出的锁相交流信号同样与第二混频器连接，混频后获得锁相的误差信号，通过调节第二相位延迟器使锁相的误差信号达到最佳，将第二混频器与第二PID电路连接，经过第二开关盒子和第二高压放大器后反馈到第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷上，锁定第一泵浦光和第一信号光的相对相位为0或π位相。
更进一步，所述两束压缩光相位锁定系统由第三开关盒子、第三PID电路和第三高压放大器组成，所述低频信号源输出的第三路信号与第三开关盒子连接，经第三高压放大器后连接到压缩光导光镜上的第五压电陶瓷上，用于扫描两束压缩光的相对相位；在第一50/50光学分束器的其中一臂上放置有一个99/1光学分束器，反射的少部分激光进入第二光电探测器，第二光电探测器探测到的直流干涉信号作为误差信号与第三PID电路连接，经过第三开关盒子和第三高压放大器后反馈到压缩光导光镜上的第五压电陶瓷上，锁定两束压缩光的相对相位为π/2位相。
更进一步，所述第一平衡零拍相位锁定系统由第四开关盒子、第三混频器、第三相位延迟器、第四PID电路和第四高压放大器组成，低频信号源输出的第四路信号与第四开关盒子连接，经第四高压放大器后连接到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷上，用于扫描第一本底光和纠缠光一的相对相位；当锁定0位相时，高频信号源经功率分束器分出的第三路信号经第三相位延迟器后与第三混频器连接，第一平衡零拍探测器输出的交流信号同样与第三混频器连接，混频后获得锁相的误差信号，通过调节第三相位延迟器使锁相的误差信号达到最佳，将第三混频器与第四PID电路连接，经过第四开关盒子和第四高压放大器后反馈到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷上，锁定第一本底光和纠缠光一的相对相位为0位相；当锁定π/2位相时，将第一平衡零拍探测器输出的直流干涉信号作为误差信号，与第四PID电路连接，经过第四开关盒子和第四高压放大器后反馈到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷上，锁定第一本底光和纠缠光一的相对相位为π/2位相。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明利用楔形的电光晶体作为电光相位调制器中的相位调制晶体，当入射光的偏振方向偏离晶体的主轴方向时，该设计会使由于双折射效应产生的o光和e光进行空间分离，避免它们之间的干涉，取e光作为相位调制光，o光被遮挡，从而减小由于双折射效应引起的RAM，同时，楔形端面的设计还可以减小由于标准具效应引起的RAM，使上述锁腔和锁相的PDH误差信号的零基线稳定，提高光学腔长和相对相位锁定的稳定性和准确性，更有利于获得稳定高效的纠缠态光场；
2、本发明使用楔形的电光晶体作为电光相位调制器中的相位调制晶体，从而改善由于双折射效应和标准具效应引起的RAM，不需要附加用于抑制RAM的反馈控制环路，具有操作简单、稳定可靠、实用性强的优点。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的光路示意图；
图3是本发明第一腔长和相位锁定系统、两束压缩光相位锁定系统和第一平衡零拍相位锁定系统的线路连接示意图；
图4为通过本发明输出的纠缠态光场的正交振幅和的量子关联噪声的测量结果图；
图5为通过本发明输出的纠缠态光场的正交位相差的量子关联噪声的测量结果图；
单频激光器—1，电光相位调制器—2，第一简并光学参量放大器(第一DOPA腔)—3，第二简并光学参量放大器(第二DOPA腔)—4，第一腔长和相位锁定系统—5，第二腔长和相位锁定系统—6，两束压缩光相位锁定系统—7，纠缠光探测系统—8，第一双色镜—9，基频光—10，倍频光—11，第一光学分束器—12，信号光—13，本底光—14，第二光学分束器—15，第一信号光—16，第二信号光—17，第三光学分束器—18，第一本底光—19，第二本底光—20，第四光学分束器—21，第一泵浦光—22，第二泵浦光—23，第一压电陶瓷—24，第二压电陶瓷—25，第三压电陶瓷—26，第四压电陶瓷—27，第一50/50光学分束器—28，第五压电陶瓷—29，纠缠光一—30，纠缠光二—31，第二50/50光学分束器—32，第一平衡零拍相位锁定系统—33，第六压电陶瓷—34，第三50/50光学分束器—35，第二平衡零拍相位锁定系统—36，第七压电陶瓷—37，加法器—38，隔离器—39，第一光电探测器—40，99/1光学分束器—41，第二光电探测器—42，第一平衡零拍探测器—43，低频信号源—44，第一开关盒子—45，第一高压放大器—46，高频信号源—47，第一相位延迟器—48，第一混频器—49，第一PID电路—50，第二开关盒子—51，第二高压放大器—52，第二相位延迟器—53，第二混频器—54，第二PID电路—55，第三开关盒子—56，第三高压放大器—57，第三PID电路—58，第四开关盒子—59，第四高压放大器—60，第三相位延迟器—61，第三混频器—62，第四PID电路—63，第二平衡零拍探测器—64，第一减法器—65，第三平衡零拍探测器—66，第四平衡零拍探测器—67，第二减法器—68，频谱分析仪—69，第二双色镜—70，第三双色镜—71，第三减法器—72。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，包括单频激光器1、电光相位调制器2、第一简并光学参量放大器3、第二简并光学参量放大器4、第一腔长和相位锁定系统5、第二腔长和相位锁定系统6、两束压缩光相位锁定系统7和纠缠光探测系统8，所述单频激光器1为双波长输出单频激光器，为实验提供所需的泵浦光场、信号光场和本底光场，具体为激光二极管端面泵浦的内腔倍频Nd:YVO4/LBO单频激光器，可同时输出2W的1064nm基频红外光和8W的532nm倍频绿光；所述电光相位调制器2用于对信号光场进行相位调制，以获得锁腔和锁相的误差信号；所述第一简并光学参量放大器3和第二简并光学参量放大器4用于产生两束单模压缩态光场，所述第一简并光学参量放大器3和第二简并光学参量放大器4参数完全相同，所述第一简并光学参量放大器3是内置有Ⅰ类非临界相位匹配的PPKTP晶体的两镜腔或多镜腔，且至少一片腔镜上粘贴有用于控制腔长的压电陶瓷，用于第一简并光学参量放大器3腔长的主动控制；所述第一腔长和相位锁定系统5和第二腔长和相位锁定系统6分别用于锁定第一简并光学参量放大器3的腔长和相位以及第二简并光学参量放大器4的腔长和相位，使第一简并光学参量放大器3和第二简并光学参量放大器4运转于参量放大状态或参量反放大状态，获得两束单模正交位相或正交振幅压缩态光场；所述两束压缩光相位锁定系统7用于锁定两束单模压缩态光场的相对相位，获得纠缠态光场；所述纠缠光探测系统8用于对纠缠光的纠缠度和长期稳定性进行测量；所述电光相位调制器2中的电光晶体设计为楔形的电光晶体，晶体的具体参数如下：材料为掺杂浓度为5％的MgO:LiNbO3晶体，尺寸为4×3×40mm3，调制电场施加在晶体的z轴方向上，晶体后端面楔角与晶体z轴的夹角为4o，实验中取e光作为相位调制光，o光被遮挡。
如图2所示，还包括第一双色镜9、第一光学分束器12、第二光学分束器15、第三光学分束器18、第四光学分束器21、第一50/50光学分束器28、第二双色镜70和第三双色镜71，所述的单频激光器1输出的激光经第一双色镜9分成两束：1064nm基频光10和532nm倍频光11；基频光10经第一光学分束器12分成两束：一束作为信号光13，一束作为本底光14；信号光13经过电光相位调制器2进行相位调制之后经过第二光学分束器15分成功率相等的两束：第一信号光16和第二信号光17；本底光14经第三光学分束器18分成功率相等的第一本底光19和第二本底光20后进入纠缠光探测系统8；倍频光11作为泵浦光，经第四光学分束器21分成功率相等的两束：第一泵浦光22和第二泵浦光23；第一信号光16和第一泵浦光22经第二双色镜70合束后注入第一简并光学参量放大器3；第二信号光17和第二泵浦光23经第三双色镜71合束后注入第二简并光学参量放大器4；第一腔长和相位锁定系统5与第一简并光学参量放大器3上的第一压电陶瓷24和第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷25连接，用于锁定第一简并光学参量放大器3的腔长和第一信号光16与第一泵浦光22的相对相位，将相对相位锁定为π位相，使第一简并光学参量放大器3运转于参量反放大状态，获得单模正交振幅压缩态光场；第二腔长和相位锁定系统6与第二简并光学参量放大器4上的第三压电陶瓷26和第二泵浦光导光镜上的第四压电陶瓷27连接，用于锁定第二简并光学参量放大器4的腔长和第二信号光17与第二泵浦光23的相对相位，将相对相位锁定为π位相，使第二简并光学参量放大器4运转于参量反放大状态，获得单模正交振幅压缩态光场；第一简并光学参量放大器3和第二简并光学参量放大器4产生的两束单模压缩光在第一50/50光学分束器28上进行相干耦合，两束压缩光相位锁定系统7与压缩光导光镜上的第五压电陶瓷29连接，用于锁定两束压缩光之间的相对相位，锁定其相位为π/2后；在第一50/50光学分束器28两臂上产生纠缠光分别为：纠缠光一30和纠缠光二31；利用纠缠光探测系统8对缠光一30和纠缠光二31的纠缠度和长期稳定性进行测量。所述纠缠光探测系统8包括第二50/50光学分束器32、第一平衡零拍相位锁定系统33、第三50/50光学分束器35、第二平衡零拍相位锁定系统36、第一平衡零拍探测器43、第二平衡零拍探测器64、第一减法器65、第三平衡零拍探测器66、第四平衡零拍探测器67、第二减法器68、加法器38、频谱分析仪69和第三减法器72，共组成两套平衡零拍探测系统，纠缠光一30与第一本底光19在第二50/50光学分束器32上进行干涉，第一平衡零拍相位锁定系统33与第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷34连接，用于锁定第一本底光19于纠缠光一30的相对位相；纠缠光二31与第二本底光20在第三50/50光学分束器35上进行干涉，第二平衡零拍相位锁定系统36与第二本底光导光镜上的第七压电陶瓷37连接，用于锁定第二本底光20于纠缠光二31的相对位相，第一平衡零拍探测器43和第二平衡零拍探测器64探测到的交流信号与第一减法器65连接，第三平衡零拍探测器66和第四平衡零拍探测器67探测到的交流信号与第二减法器68连接，分别测量纠缠光一30和纠缠光二31的正交振幅分量噪声与正交位相分量噪声，当同时锁定第一本底光19与纠缠光一30的相对相位和第二本底光20与纠缠光二31的相对相位为0位相时，分别测量得到纠缠光一30和纠缠光二31的正交振幅分量噪声，将第一减法器65和第二减法器68得到的光电流注入加法器38，利用频谱分析仪69测量纠缠光一30和纠缠光二31的正交振幅和关联噪声；当同时锁定第一本底光19与纠缠光一30的相对相位和第二本底光20与纠缠光二31的相对相位为π/2位相时，分别测量得到纠缠光一30和纠缠光二31的正交位相分量噪声，将第一减法器65和第二减法器68得到的光电流注入第三减法器72，利用频谱分析仪69测量纠缠光一30和纠缠光二31的正交位相差关联噪声，所述第一平衡零拍探测器43、第二平衡零拍探测器64、第三平衡零拍探测器66和第四平衡零拍探测器67完全相同。
本发明还包括第一光电探测器40、低频信号源44和高频信号源47，所述第一腔长和相位锁定系统5与第二腔长和相位锁定系统6为标准的PDH锁定系统，且第一腔长和相位锁定系统5和第二腔长和相位锁定系统6完全相同，所述第一腔长和相位锁定系统5包括第一开关盒子45、第一高压放大器46、第一相位延迟器48、第一混频器49、第一PID电路50、第二开关盒子51、第二高压放大器52、第二相位延迟器53、第二混频器54和第二PID电路55，所述低频信号源44输出的低频锯齿波扫描信号经功率分束器分为七路，分别用于扫描两路光学腔长和五路相对相位，其中，低频信号源44输出的第一路信号与第一开关盒子45连接，经第一高压放大器46后连接到第一简并光学参量放大器3上的第一压电陶瓷24上，用于扫描第一简并光学参量放大器3腔长；所述高频信号源47输出的高频正弦信号分为两路，一路与电光相位调制器2连接，用于提供调制信号，另一路经功率分束器分为六路，分别作为六路混频时的本地信号，高频信号源47经功率分束器分出的第一路信号经第一相位延迟器48后与第一混频器49连接，第一简并光学参量放大器3腔前的隔离器39用于提取腔的反射信号，并由第一光电探测器40进行探测，第一光电探测器40输出的锁腔交流信号与第一混频器49连接，混频后获得锁腔的误差信号，通过调节第一相位延迟器48使锁腔的误差信号达到最佳，将第一混频器49与第一PID电路50连接，经过第一开关盒子45和第一高压放大器46后反馈到第一简并光学参量放大器3上的第一压电陶瓷24上，锁定第一简并光学参量放大器3腔长；低频信号源44输出的第二路信号与第二开关盒子51连接，经第二高压放大器52后连接到第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷25上，用于扫描第一泵浦光22和第一信号光16的相对相位；高频信号源47经功率分束器分出的第二路信号经第二相位延迟器53后与第二混频器54连接，第一光电探测器40输出的锁相交流信号同样与第二混频器54连接，混频后获得锁相的误差信号，通过调节第二相位延迟器53使锁相的误差信号达到最佳，将第二混频器54与第二PID电路55连接，经过第二开关盒子51和第二高压放大器52后反馈到第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷25上，锁定第一泵浦光22和第一信号光16的0或π位相；其中开关盒子的作用是在扫描和锁定状态之间相互转换，当置于扫描状态时，扫描信号通过，扫描腔长和相位，当置于锁定状态时，反馈信号通过，锁定腔长和相位。在锁定过程中，需调节误差信号的零点与PID电路的零点重合；
所述两束压缩光相位锁定系统7为PID电路反馈控制系统，两束压缩光相位锁定系统7由第三开关盒子56、第三PID电路58和第三高压放大器57组成，所述低频信号源44输出的第三路信号与第三开关盒子56连接，经第三高压放大器57后连接到压缩光导光镜上的第五压电陶瓷29上，用于扫描两束压缩光的相对相位；在第一50/50光学分束器28的其中一臂上放置有一个99/1光学分束器41，反射的少部分激光进入第二光电探测器42，第二光电探测器42探测到的直流干涉信号作为误差信号与第三PID电路58连接，经过第三开关盒子56和第三高压放大器57后反馈到压缩光导光镜上的第五压电陶瓷29上，锁定两束压缩光相对相位为π/2位相。
第一平衡零拍相位锁定系统33与第二平衡零拍相位锁定系统36为标准的PDH锁定系统和PID电路反馈控制系统，且第一平衡零拍相位锁定系统33和第二平衡零拍相位锁定系统36完全相同，所述第一平衡零拍相位锁定系统33由第四开关盒子59、第三混频器62、第三相位延迟器61、第四PID电路63和第四高压放大器60组成，低频信号源44输出的第四路信号与第四开关盒子59连接，经第四高压放大器60后连接到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷34上，用于扫描第一本底光19和纠缠光一30的相对相位；当锁定0位相时，高频信号源47经功率分束器分出的第三路信号经第三相位延迟器61后与第三混频器62连接，第一平衡零拍探测器43输出的交流信号同样与第三混频器62连接，混频后获得锁相的误差信号，通过调节第三相位延迟器61使锁相的误差信号达到最佳，将第三混频器62与第四PID电路63连接，经过第四开关盒子59和第四高压放大器60后反馈到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷34上，锁定第一本底光19和纠缠光一30的相对相位为0位相；当锁定π/2位相时，将第一平衡零拍探测器43输出的直流干涉信号作为误差信号，与第四PID电路63连接，经过第四开关盒子59和第四高压放大器60后反馈到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷34上，锁定第一本底光19和纠缠光一30的相对相位为π/2位相。
所述第一双色镜9、第二双色镜70和第三双色镜71均为对基频光高反、倍频光高透的镜片或者是对基频光高透、倍频光高反的镜片；所述第一光学分束器12、第二光学分束器15、第三光学分束器18、第四光学分束器21为光学镜片或者是波片与偏振分束棱镜的组合。
如图4、图5所示，在分析频率为8MHz处，测量得到的正交振幅和的关联噪声为5.4dB，正交位相差的关联噪声为5.2dB。本发明设计的纠缠源使光学腔长和相对相位的锁定持续时间从过去的几秒钟增加到几个小时，使输出的量子关联噪声谱线比较平缓，可以得到稳定的纠缠光输出。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：包括单频激光器(1)、电光相位调制器(2)、第一简并光学参量放大器(3)、第二简并光学参量放大器(4)、第一腔长和相位锁定系统(5)、第二腔长和相位锁定系统(6)、两束压缩光相位锁定系统(7)和纠缠光探测系统(8)，所述单频激光器(1)为双波长输出单频激光器，为实验提供所需的泵浦光场、信号光场和本底光场；所述电光相位调制器(2)用于对信号光场进行相位调制，以获得锁腔和锁相的误差信号；所述第一简并光学参量放大器(3)和第二简并光学参量放大器(4)用于产生两束单模压缩态光场；所述第一腔长和相位锁定系统(5)和第二腔长和相位锁定系统(6)分别用于锁定第一简并光学参量放大器(3)的腔长和相位以及第二简并光学参量放大器(4)的腔长和相位，使第一简并光学参量放大器(3)和第二简并光学参量放大器(4)运转于参量放大状态或参量反放大状态，获得两束单模正交位相或正交振幅压缩态光场；所述两束压缩光相位锁定系统(7)用于锁定两束单模压缩态光场的相对相位，获得纠缠态光场；所述纠缠光探测系统(8)用于对纠缠光的纠缠度和长期稳定性进行测量；所述电光相位调制器(2)中的电光晶体为楔形电光晶体。
2.根据权利要求1所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：还包括第一双色镜(9)、第一光学分束器(12)、第二光学分束器(15)、第三光学分束器(18)、第四光学分束器(21)、第一50/50光学分束器(28)、第二双色镜(70)和第三双色镜(71)，所述的单频激光器(1)输出的激光经第一双色镜(9)分成两束：基频光(10)和倍频光(11)；基频光(10)经第一光学分束器(12)分成两束：一束作为信号光(13)，一束作为本底光(14)；信号光(13)经过电光相位调制器(2)进行相位调制之后经过第二光学分束器(15)分成功率相等的两束：第一信号光(16)和第二信号光(17)；本底光(14)经第三光学分束器(18)分成功率相等的第一本底光(19)和第二本底光(20)后进入纠缠光探测系统(8)；倍频光(11)作为泵浦光，经第四光学分束器(21)分成功率相等的两束：第一泵浦光(22)和第二泵浦光(23)；第一信号光(16)和第一泵浦光(22)经第二双色镜(70)合束后注入第一简并光学参量放大器(3)；第二信号光(17)和第二泵浦光(23)经第三双色镜(71)合束后注入第二简并光学参量放大器(4)；第一腔长和相位锁定系统(5)与第一简并光学参量放大器(3)上的第一压电陶瓷(24)和第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷(25)连接，用于锁定第一简并光学参量放大器(3)的腔长和第一信号光(16)与第一泵浦光(22)的相对相位；第二腔长和相位锁定系统(6)与第二简并光学参量放大器(4)上的第三压电陶瓷(26)和第二泵浦光导光镜上的第四压电陶瓷(27)连接，用于锁定第二简并光学参量放大器(4)的腔长和第二信号光(17)与第二泵浦光(23)的相对相位；第一简并光学参量放大器(3)和第二简并光学参量放大器(4)产生的两束单模压缩光在第一50/50光学分束器(28)上进行相干耦合，两束压缩光相位锁定系统(7)与压缩光导光镜上的第五压电陶瓷(29)连接，用于锁定两束压缩光之间的相对相位；第一50/50光学分束器(28)两臂上产生的纠缠光分别为：纠缠光一(30)和纠缠光二(31)；利用纠缠光探测系统(8)对缠光一(30)和纠缠光二(31)的纠缠度和长期稳定性进行测量。
3.根据权利要求2所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：所述纠缠光探测系统(8)包括第二50/50光学分束器(32)、第一平衡零拍相位锁定系统(33)、第三50/50光学分束器(35)、第二平衡零拍相位锁定系统(36)、第一平衡零拍探测器(43)、第二平衡零拍探测器(64)、第一减法器(65)、第三平衡零拍探测器(66)、第四平衡零拍探测器(67)、第二减法器(68)、加法器(38)、频谱分析仪(69)和第三减法器(72)，共组成两套平衡零拍探测系统，纠缠光一(30)与第一本底光(19)在第二50/50光学分束器(32)上进行干涉，第一平衡零拍相位锁定系统(33)与第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷(34)连接，用于锁定第一本底光(19)于纠缠光一(30)的相对位相；纠缠光二(31)与第二本底光(20)在第三50/50光学分束器(35)上进行干涉，第二平衡零拍相位锁定系统(36)与第二本底光导光镜上的第七压电陶瓷(37)连接，用于锁定第二本底光(20)于纠缠光二(31)的相对位相，第一平衡零拍探测器(43)和第二平衡零拍探测器(64)与第一减法器(65)连接，第三平衡零拍探测器(66)和第四平衡零拍探测器(67)探测到的交流信号与第二减法器(68)连接，分别测量纠缠光一(30)和纠缠光二(31)的正交振幅分量噪声与正交位相分量噪声，第一减法器(65)和第二减法器(68)与加法器(38)或第三减法器(72)连接，利用频谱分析仪(69)测量纠缠光一(30)和纠缠光二(31)的正交振幅和与正交位相差的关联噪声，所述第一平衡零拍探测器(43)、第二平衡零拍探测器(64)、第三平衡零拍探测器(66)和第四平衡零拍探测器(67)完全相同。
4.根据权利要求1所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：所述第一简并光学参量放大器(3)和第二简并光学参量放大器(4)参数完全相同，所述第一简并光学参量放大器(3)是内置有非线性晶体的两镜腔或多镜腔，且至少一片腔镜上粘贴有用于控制腔长的压电陶瓷。
5.根据权利要求4所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：所述第一简并光学参量放大器(3)和第二简并光学参量放大器(4)中的非线性晶体为Ⅰ类非临界相位匹配的非线性晶体。
6.根据权利要求2所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：所述第一双色镜(9)、第二双色镜(70)和第三双色镜(71)均为对基频光高反、倍频光高透的镜片或者是对基频光高透、倍频光高反的镜片；所述第一光学分束器(12)、第二光学分束器(15)、第三光学分束器(18)、第四光学分束器(21)为光学镜片或者是波片与偏振分束棱镜的组合。
7.根据权利要求3所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：所述第一腔长和相位锁定系统(5)与第二腔长和相位锁定系统(6)为标准的PDH锁定系统；两束压缩光相位锁定系统(7)为PID电路反馈控制系统；第一平衡零拍相位锁定系统(33)与第二平衡零拍相位锁定系统(36)为标准的PDH锁定系统和PID电路反馈控制系统，且第一腔长和相位锁定系统(5)和第二腔长和相位锁定系统(6)完全相同，第一平衡零拍相位锁定系统(33)和第二平衡零拍相位锁定系统(36)完全相同。
8.根据权利要求7所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：还包括第一光电探测器(40)、低频信号源(44)和高频信号源(47)，所述第一腔长和相位锁定系统(5)包括第一开关盒子(45)、第一高压放大器(46)、第一相位延迟器(48)、第一混频器(49)、第一PID电路(50)、第二开关盒子(51)、第二高压放大器(52)、第二相位延迟器(53)、第二混频器(54)和第二PID电路(55)，所述低频信号源(44)输出的低频锯齿波扫描信号经功率分束器分为七路，分别用于扫描两路光学腔长和五路相对相位，其中，低频信号源(44)输出的第一路信号与第一开关盒子(45)连接，经第一高压放大器(46)后连接到第一简并光学参量放大器(3)上的第一压电陶瓷(24)上，用于扫描第一简并光学参量放大器(3)腔长；所述高频信号源(47)输出的高频正弦信号分为两路，一路与电光相位调制器(2)连接，用于提供调制信号，另一路经功率分束器分为六路，分别作为六路混频时的本地信号，高频信号源(47)经功率分束器分出的第一路信号经第一相位延迟器(48)后与第一混频器(49)连接，第一简并光学参量放大器(3)腔前的隔离器(39)用于提取腔的反射信号，并由第一光电探测器(40)进行探测，第一光电探测器(40)输出的锁腔交流信号与第一混频器(49)连接，混频后获得锁腔的误差信号，通过调节第一相位延迟器(48)使锁腔的误差信号达到最佳，将第一混频器(49)与第一PID电路(50)连接，经过第一开关盒子(45)和第一高压放大器(46)后反馈到第一简并光学参量放大器(3)上的第一压电陶瓷(24)上，锁定第一简并光学参量放大器(3)腔长；低频信号源(44)输出的第二路信号与第二开关盒子(51)连接，经第二高压放大器(52)后连接到第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷(25)上，用于扫描第一泵浦光(22)和第一信号光(16)的相对相位；高频信号源(47)经功率分束器分出的第二路信号经第二相位延迟器(53)后与第二混频器(54)连接，第一光电探测器(40)输出的锁相交流信号同样与第二混频器(54)连接，混频后获得锁相的误差信号，通过调节第二相位延迟器(53)使锁相的误差信号达到最佳，将第二混频器(54)与第二PID电路(55)连接，经过第二开关盒子(51)和第二高压放大器(52)后反馈到第一泵浦光导光镜上的第二压电陶瓷(25)上，锁定第一泵浦光(22)和第一信号光(16)的相对相位为0或π位相。
9.根据权利要求7所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：所述两束压缩光相位锁定系统(7)由第三开关盒子(56)、第三PID电路(58)和第三高压放大器(57)组成，所述低频信号源(44)输出的第三路信号与第三开关盒子(56)连接，经第三高压放大器(57)后连接到压缩光导光镜上的第五压电陶瓷(29)上，用于扫描两束压缩光的相对相位；在第一50/50光学分束器(28)的其中一臂上放置有一个99/1光学分束器(41)，反射的少部分激光进入第二光电探测器(42)，第二光电探测器(42)探测到的直流干涉信号作为误差信号与第三PID电路(58)连接，经过第三开关盒子(56)和第三高压放大器(57)后反馈到压缩光导光镜上的第五压电陶瓷(29)上，锁定两束压缩光的相对相位为π/2位相。
10.根据权利要求7所述的一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于：所述第一平衡零拍相位锁定系统(33)由第四开关盒子(59)、第三混频器(62)、第三相位延迟器(61)、第四PID电路(63)和第四高压放大器(60)组成，低频信号源(44)输出的第四路信号与第四开关盒子(59)连接，经第四高压放大器(60)后连接到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷(34)上，用于扫描第一本底光(19)和纠缠光一(30)的相对相位；当锁定0位相时，高频信号源(47)经功率分束器分出的第三路信号经第三相位延迟器(61)后与第三混频器(62)连接，第一平衡零拍探测器(43)输出的交流信号同样与第三混频器(62)连接，混频后获得锁相的误差信号，通过调节第三相位延迟器(61)使锁相的误差信号达到最佳，将第三混频器(62)与第四PID电路(63)连接，经过第四开关盒子(59)和第四高压放大器(60)后反馈到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷(34)上，锁定第一本底光(19)和纠缠光一(30)的相对位相为0位相；当锁定π/2位相时，将第一平衡零拍探测器(43)输出的直流干涉信号作为误差信号，与第四PID电路(63)连接，经过第四开关盒子(59)和第四高压放大器(60)后反馈到第一本底光导光镜上的第六压电陶瓷(34)上，锁定第一本底光(19)和纠缠光一(30)的相对位相为π/2位相。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910588722.6A Active CN110297376B (zh) | 2019-07-02 | 2019-07-02 | 一种稳定的连续变量量子纠缠源产生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110297376B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111474802A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-07-31 | 山西大学 | 一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置 |
| CN111585659A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-25 | 山西大学 | 一种基于多纠缠边带模式的量子通信装置 |
| CN113408734A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-17 | 武汉理工大学 | 基于量子偏振纠缠的光加法器 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100208334A1 (en) * | 2009-02-17 | 2010-08-19 | Nucrypt, Inc. | System and method for entangled photons generation and measurement |
| CN102354074A (zh) * | 2011-09-01 | 2012-02-15 | 山西大学 | 双色可调谐连续变量纠缠态产生和探测装置 |
| CN103091933A (zh) * | 2013-01-30 | 2013-05-08 | 山西大学 | 连续变量多色纠缠光场的产生装置 |
| CN103176329A (zh) * | 2013-04-11 | 2013-06-26 | 山西大学 | 一种连续变量量子纠缠源产生装置 |
| JP2014232989A (ja) * | 2013-05-29 | 2014-12-11 | 日本電気株式会社 | 量子暗号鍵配付装置、送信装置、受信装置、量子暗号鍵配付方法及びプログラム |
-
2019
- 2019-07-02 CN CN201910588722.6A patent/CN110297376B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Title |
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| CN111585659B (zh) * | 2020-04-30 | 2021-03-30 | 山西大学 | 一种基于多纠缠边带模式的量子通信装置 |
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| CN111474802B (zh) * | 2020-05-09 | 2021-07-02 | 山西大学 | 一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110297376B (zh) | 2020-05-26 |
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