CN110428710B - 一种量子纠缠源的虚拟仿真方法 - Google Patents

一种量子纠缠源的虚拟仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，包括步骤1，对基于量子纠缠源的量子光学实验中的每个实验器件进行建模；步骤2，构建虚拟的基于量子纠缠源的量子光学实验光路；步骤3，计算A光路和B光路的真实符合计数cT以及加入实验噪声后的总的符合计数cA。并以上述参数为数据基础完成干涉对比度曲线测量、Bell不等式的检验、纠缠源保真度测量等实验。该方法可以仿真实现量子纠缠源的搭建，以及调节波片角度、对量子纠缠态进行测量，从而完成量子纠缠源的实验虚拟仿真。

Description

一种量子纠缠源的虚拟仿真方法
技术领域
本发明属于量子信息领域，具体涉及一种量子纠缠源的虚拟仿真方法。
背景技术
量子纠缠源是量子信息领域研究、教学的核心资源模块之一。实体纠缠源产生装置广泛应用于科学研究、课堂教学等方面。但是量子纠缠源实体装置存在价格昂贵、对实验环境要求苛刻、易损坏以及量子光信号无法可视化等诸多问题。为了解决上述问题，利用计算机和多媒体技术对实验仪器、实验设备及实验环境进行引导和模拟的虚拟仿真技术开始被应用于量子光学、量子信息领域。但是之前针对量子光学、量子信息的虚拟仿真局限于两维图像，无立体感；实验算法建模没有考虑实际仪器的不完美特性，使得虚拟仿真距离真实实验情景较远；同时没有在程序中配备具体的实验讲义、实验步骤和数据处理软件等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，进一步模拟真实环境中的噪声，得到趋于真实的总的符合计数，为干涉对比度曲线测量、纠缠源保真度测量、Bell不等式的检验等实验提供了实验依据。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对基于量子纠缠源的量子光学实验中的每个实验器件进行建模；所述的实验器件包括激光器、HWP半波片、PBS偏振分束器、QWP四分之一波片、Lens透镜、BBO晶体、楔形片、反射棱镜、偏振片、滤波片、准直器、光束终止器、单模光纤、探测器、符合计数仪、光学实验台、数据处理电脑；
步骤2，构建虚拟的基于量子纠缠源的量子光学实验光路；所述的实验光路包括激光器，所述的激光器射出光路依次穿过第一半波片、偏振分束器、第二半波片、第一四分之一波片、第一Lens透镜和BBO晶体后分为A光路和B光路，所述的A光路依次穿过第二Lens透镜、第二四分之一波片、第三半波片、第一偏振片、第一滤波片后射入第一探测器的耦合头内，所述的B光路依次穿过第三Lens透镜、第三四分之一波片、第四半波片、第二偏振片、第二探测器后射入第二探测器的耦合头内；
步骤3，计算A光路和B光路的真实符合计数cT：
激光器的光强记为p，纠缠光子对产生率为R，A光路和B光路本底衰减分别为ηA1、ηB1，第一探测器的耦合头、第二探测器的耦合头的偏转角度分别为χ1、χ2，则第一探测器的耦合头、第二探测器的耦合头引起的衰减ηA2、ηB2分别为：
ηA2＝cos(χ1)；
ηB2＝cos(χ2)；
符合门宽为T，T的初始值为2ns(纳秒)，则两路的真实符合计数cT为：
cT＝p·R·ηA1·ηA2·ηB1·ηB2·c；
上述公式中c为符合率，计算方法如下：
第二半波片的偏转角度为θ1，BBO晶体的偏转角度为θ2，A光路中第二四分之一波片的偏转角度为
Figure BDA0002148643030000023
第三半波片的偏转角度为θ3，B光路中第三四分之一波片的偏转角度为
Figure BDA0002148643030000024
第四半波片的偏转角度为θ4，第一四分之一波片的偏转角度为δ；
则激光经过偏振分束器后，量子态为|H〉，经过第二半波片后，则量子态为：
cos2θ1|H〉+sin2θ1|V>；
其中，|H>是指水平偏振状态，|V>是竖直偏振态，
经过BBO晶体后量子态为：
Figure BDA0002148643030000021
A光路的测量基表达式为：
Figure BDA0002148643030000022
B光路的测量基表达式为：
Figure BDA0002148643030000031
则符合率c为：
Figure BDA0002148643030000032
即：
Figure BDA0002148643030000033
总的符合计数cA为：cA＝cT+cR；
其中，cR为随机符合计数；
模拟真实环境中的噪声，设A光路的单通道计数为NA＝p·R·ηA1·ηA2，B光路的单通道计数为NB＝p·R·ηB1·ηB2，随机符合计数cR为：
cR＝NA·NB·T。
p取值为50mw，R取值为2500Hz/mw，A光路和B光路的本底衰减取值为ηA1＝ηB1＝20％。
固定A光路中第二四分之一波片和第三半波片的偏转角度，由0度开始逐渐增加B光路中第四半波片的偏转角度，并记录对应的总的符合计数，以第四半波片的偏转角度为横坐标，以总的符合计数为纵坐标，绘制出干涉对比度曲线，完成干涉对比度曲线测量。
分别调整A光路和B光路中第三半波片和第四半波片的偏转角度，所述的第三半波片和第四半波片的偏转角度为预先设定好的偏转角度组，计算出对应的总的符合计数，并带入Bell不等式的公式，计算出实验值，实现Bell不等式的检验，进一步证明量子纠缠现象的存在。
按照预先设定好的16组偏转角度，分别旋转A光路和B光路中的第三半波片和第四半波片以及第二四分之一波片和第三四分之一波片，得到对应偏转角度组下的总的符合计数，计算出纠缠源的保真度，实现纠缠源保真度测量。
所述的第三半波片和第四半波片以及第二四分之一波片和第三四分之一波片的偏转角度可以调整。
本发明的有益效果为：利用三维虚拟仿真的方法，大幅降低了量子纠缠源的成本，对实验环境的苛刻要求，实现了量子光信号的可视化，针对单个器件独立建模，可模拟实际实验中由于器件摆放位置、调节角度等不正确导致系统工作失败的情况，贴近真实实验效果。
用户可对单独实验器件进行移动，对特定的参数如波片旋转角度等进行调节操作，并根据试验参数计算得到总的符合计数。
可以仿真实现量子纠缠源的搭建，以及调节波片角度、对量子纠缠态进行测量，从而完成量子纠缠源的实验虚拟仿真。
附图说明
图1为本发明一种量子纠缠源的虚拟仿真方法的量子纠缠源虚拟仿真软件模块架构。
图2为本发明一种量子纠缠源的虚拟仿真方法的实验仪器建模。
图3为本发明一种量子纠缠源的虚拟仿真方法的量子光学实验光路。
图4为本发明一种量子纠缠源的虚拟仿真方法的实验模块举例。
图5为本发明一种量子纠缠源的虚拟仿真方法的视频模块举例。
附图标记：1、激光器；2、第一半波片；3、偏振分束器；4、第二半波片；5、第一四分之一波片；6、第一Lens透镜；7、BBO晶体；8、第二Lens透镜；9、第二四分之一波片；10、第三半波片；11、第一偏振片；12、第一滤波片；13、第一探测器；14、第三Lens透镜；15、第三四分之一波片；16、第四半波片；17、第二偏振片；18、第二滤波片；19、第二探测器；20、A光路；21、B光路。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对基于量子纠缠源的量子光学实验中的每个实验器件进行建模；所述的实验器件包括激光器、HWP半波片、PBS偏振分束器、QWP四分之一波片、Lens透镜、BBO晶体、楔形片、反射棱镜、偏振片、滤波片、准直器、光束终止器、单模光纤、探测器、符合计数仪、光学实验台、数据处理电脑；
步骤2，构建虚拟的基于量子纠缠源的量子光学实验光路，如图3所示；所述的实验光路包括激光器1，所述的激光器1射出光路依次穿过第一半波片2、偏振分束器3、第二半波片4、第一四分之一波片5、第一Lens透镜6和BBO晶体7后分为A光路20和B光路21，所述的A光路20依次穿过第二Lens透镜8、第二四分之一波片9、第三半波片10、第一偏振片11、第一滤波片12后射入第一探测器13的耦合头内，所述的B光路21依次穿过第三Lens透镜14、第三四分之一波片15、第四半波片16、第二偏振片17、第二探测器18后射入第二探测器19的耦合头内；
步骤3，计算A光路和B光路的真实符合计数cT：
激光器的光强记为p，纠缠光子对产生率为R，A光路和B光路本底衰减分别为ηA1、ηB1，第一探测器的耦合头、第二探测器19的耦合头的偏转角度分别为χ1、χ2，则第一探测器的耦合头、第二探测器19的耦合头引起的衰减ηA2、ηB2分别为：
ηA2＝cos(χ1)；
ηB2＝cos(χ2)；
符合门宽为T，T的初始值为2ns，则两路的真实符合计数cT为
cT＝p·R·ηA1·ηA2·ηB1·ηB2·c；
上述公式中c为符合率，计算方法如下：
第二半波片的偏转角度为θ1，BBO晶体的偏转角度为θ2，A光路中第二四分之一波片的偏转角度为
Figure BDA0002148643030000051
第三半波片的偏转角度为θ3，B光路中第三四分之一波片的偏转角度为
Figure BDA0002148643030000052
第四半波片的偏转角度为θ4，第一四分之一波片的偏转角度为δ；
则激光经过偏振分束器后，量子态为|H>，经过第二半波片后，则量子态为：
cos2θ1|H>+sin2θ1|V>；
其中，|H>是指水平偏振状态，|V>是竖直偏振态，
经过BBO晶体后量子态为：
Figure BDA0002148643030000061
其中i为虚数的单位；
A光路的测量基表达式为：
Figure BDA0002148643030000062
B光路的测量基表达式为：
Figure BDA0002148643030000063
则符合率c为：
Figure BDA0002148643030000064
即：
Figure BDA0002148643030000065
总的符合计数cA为：cA＝cT+cR；
其中，cR为随机符合计数；
模拟真实环境中的噪声，设A光路的单通道计数为NA＝p·R·ηA1·ηA2，B光路的单通道计数为NB＝p·R·ηB1·ηB2，随机符合计数cR为：
cR＝NA·NB·T。
所述的第三半波片10和第四半波片16以及第二四分之一波片9和第三四分之一波片15的偏转角度可以调整。
为模拟真实实验装置，优选的，p取值为50mw，R取值为2500Hz/mw，A光路和B光路的本底衰减取值为ηA1＝ηB1＝20％。
进一步的，依靠计算得到的总的符合计数cA为数据基础，可以完成干涉对比度曲线测量、Bell不等式的检验、纠缠源保真度测量等实验。
固定A光路中第二四分之一波片9和第三半波片10的偏转角度，由0度开始逐渐增加B光路中第四半波片16的偏转角度，并记录对应的总的符合计数，以第四半波片16的偏转角度为横坐标，以总的符合计数为纵坐标，绘制出干涉对比度曲线，完成干涉对比度曲线测量。
分别调整A光路和B光路中第三半波片和第四半波片的偏转角度，所述的第三半波片和第四半波片的偏转角度为预先设定好的偏转角度组，计算出对应的总的符合计数，并带入Bell不等式的公式，计算出实验值，实现Bell不等式的检验，进一步证明量子纠缠现象的存在。
按照预先设定好的16组偏转角度，分别旋转A光路和B光路中的第三半波片10和第四半波片16以及第二四分之一波片9和第三四分之一波片15，得到对应偏转角度组下的总的符合计数，计算出纠缠源的保真度，一般来说保真度大于90％，最终实现纠缠源保真度测量。
进一步的，如图1所示，本方案采用计算机等智能终端作为方法实施的载体，采用量子纠缠源的虚拟仿真系统作为具体实施方案，量子纠缠源的虚拟仿真系统还包括视频模块、菜单模块和虚拟实验模块。
如图5所示，视频模块分为两部分，分别为用户引导视频系统和量子纠缠源原理演示动画，此系统在用户打开软件后首次点击特定器件时触发，通过视频播放的方式引导用户学习软件操作方式。量子纠缠源原理演示动画用于给用户直观生动介绍量子纠缠的基本原理和实验检验方法，熟悉实验背景。
如图4所示，菜单模块包括实验项目、仪器栏、帮助文档、设置和数据记录。实验项目为基于量子纠缠源的量子光学实验，包括Bell不等式测量实验、量子纠缠态保真度测量实验等，实验项目中会有对应的实验步骤介绍，并根据不同实验内容设置实验环境。帮助文档为本实验的实验讲义，介绍纠缠源的原理、实验内容等。设置选项中可以设置软件配置参数，如显示效果等。数据记录模块中嵌入实验数据记录表格和底层的数据处理程序，用户可以进行纠缠源保真度、贝尔不等式等数据计算和处理。
如图2所示，在通过菜单模块选择好所需的实验项目后，通过虚拟实验模块进行相关实验的仿真模拟，虚拟实验模块分为虚拟实验环境部分、虚拟实验仪器以及核心算法部分。虚拟实验环境部分按照真实的超净室环境设计，可进行风淋等操作。其中虚拟实验仪器如步骤1中所示，根据步骤3中所示的核心算法，结合对应的实验项目，可以进行干涉对比度曲线测量、Bell不等式的检验、纠缠源保真度测量等实验的仿真。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对基于量子纠缠源的量子光学实验中的每个实验器件进行建模；所述的实验器件包括激光器、HWP半波片、PBS偏振分束器、QWP四分之一波片、Lens透镜、BBO晶体、楔形片、反射棱镜、偏振片、滤波片、准直器、光束终止器、单模光纤、探测器、符合计数仪、光学实验台、数据处理电脑；
步骤2，构建虚拟的基于量子纠缠源的量子光学实验光路；所述的实验光路包括激光器，所述的激光器射出光路依次穿过第一半波片、偏振分束器、第二半波片、第一四分之一波片、第一透镜和BBO晶体后分为A光路和B光路，所述的A光路依次穿过第二透镜、第二四分之一波片、第三半波片、第一偏振片、第一滤波片后射入第一探测器的耦合头内，所述的B光路依次穿过第三透镜、第三四分之一波片、第四半波片、第二偏振片、第二探测器后射入第二探测器的耦合头内；
步骤3，计算A光路和B光路的真实符合计数cT：
激光器的光强记为p，纠缠光子对产生率为R，A光路和B光路本底衰减分别为ηA1、ηB1，第一探测器的耦合头、第二探测器的耦合头的偏转角度分别为χ1、χ2，则第一探测器的耦合头、第二探测器的耦合头引起的衰减ηA2、ηB2分别为：
ηA2＝cos(χ1)；
ηB2＝cos(χ2)；
符合门宽为T，T的初始值为2ns，则两路的真实符合计数cT为：
cT＝p·R·ηA1·ηA2·ηB1·ηB2·c；
上述公式中c为符合率，计算方法如下：
第二半波片的偏转角度为θ1，BBO晶体的偏转角度为θ2，A光路中第二四分之一波片的偏转角度为
Figure FDA0002902626720000013
第三半波片的偏转角度为θ3，B光路中第三四分之一波片的偏转角度为
Figure FDA0002902626720000014
第四半波片的偏转角度为θ4，第一四分之一波片的偏转角度为δ；
则激光经过偏振分束器后，量子态为水平偏振状态|H>，经过第二半波片后，则量子态为：cos2θ1|H>+sin2θ1|V>；
其中，|H〉是指水平偏振状态，|V〉是竖直偏振态，
经过BBO晶体后量子态为：
Figure FDA0002902626720000011
A光路的测量基表达式为：
Figure FDA0002902626720000012
B光路的测量基表达式为：
Figure FDA0002902626720000021
则符合率c为：
Figure FDA0002902626720000022
即：
Figure FDA0002902626720000023
总的符合计数cA为：cA＝cT+cR；
其中，cR为随机符合计数；
模拟真实环境中的噪声，设A光路的单通道计数为NA＝p·R·ηA1·ηA2，B光路的单通道计数为NB＝p·R·ηB1·ηB2，随机符合计数cR为：
cR＝NA·NB·T。
2.如权利要求1所述的一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于：p取值为50mw，R取值为2500Hz/mw，A光路和B光路的本底衰减取值为ηA1＝ηB1＝20％。
3.如权利要求1所述的一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于：固定A光路中第二四分之一波片和第三半波片的偏转角度，由0度开始逐渐增加B光路中第四半波片的偏转角度，并记录对应的总的符合计数，以第四半波片的偏转角度为横坐标，以总的符合计数为纵坐标，绘制出干涉对比度曲线，完成干涉对比度曲线测量。
4.如权利要求1所述的一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于：分别调整A光路中第三半波片和B光路中第四半波片的偏转角度，所述的第三半波片和第四半波片的偏转角度为预先设定好的偏转角度组，计算出对应的总的符合计数，并带入Bell不等式的公式，计算出实验值，实现Bell不等式的检验，进一步证明量子纠缠现象的存在。
5.如权利要求1所述的一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于：按照预先设定好的16组偏转角度，分别旋转A光路中的第三半波片和B光路中的第四半波片以及A光路中的第二四分之一波片和B光路中的第三四分之一波片，得到对应偏转角度组下的总的符合计数，计算出纠缠源的保真度，实现纠缠源保真度测量。
6.如权利要求1所述的一种量子纠缠源的虚拟仿真方法，其特征在于：所述的第三半波片和第四半波片以及第二四分之一波片和第三四分之一波片的偏转角度可以调整。
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