CN110675716A - 一种全光纤量子态模拟装置及模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤量子态模拟装置，该装置利用任意波信号发生器模拟部分量子态的内禀属性，并利用全光纤干涉仪替代传统的分立元件，实现了全光纤量子态的模拟和展示。该装置利用干涉仪产生任意的相位噪声调制，使得本发明不仅能够模拟多种量子态，更能够模拟多种非经典的特殊状态，例如交叉相位调制等，且模拟操作方便，易于上手。本发明还公开了一种基于该装置的全光纤量子态模拟方法，首次利用非量子的经典调制和干涉手段实现量子态的內禀属性模拟和演示，大幅度降低了量子技术学习和应用的难度和成本。且本发明具有全光纤系统的易于集成特性，具有良好的稳定性和高效可重复性，是一种优秀的量子态模拟演示和学习的工具和手段。

Description

一种全光纤量子态模拟装置及模拟方法
技术领域
本发明涉及一种利用经典方法模拟量子态，具体是一种全光纤量子态模拟装置及模拟方法。
背景技术
随着墨子号卫星的任务完成，全球开始进入了量子霸权时代。量子计算机，量子模拟，量子通信等量子技术和装备开始涌现，量子技术也逐步走向普及和应用。越来越多的量子现象被发现，越来越多的量子技术被应用，如何在这样一种时代潮流中紧跟步伐，参与到量子争霸中成为了大家的重点。
然而，量子力学的原理晦涩难懂，大多数人不得其门而入。如何快速学习和掌握量子物理的基础，加深量子技术的理解，拓宽量子领域的应用成为了一个不可忽视的瓶颈问题。然而，量子态以及量子系统的脆弱性以及高昂的建立和维护费用使得量子系统的学习难上加难。因此，如何能够建立一套稳定的，价格低廉，维护方便的量子系统用于学习和使用成为了大家的共同焦点和重点研究目标。
目前虽然有一些量子系统或量子设备研发出来，但都未能解决上述问题。针对量子系统的脆弱性和价格高昂的特点，利用经典的、非量子的手段模拟，实现部分量子系统的特性无疑是一种极好的解决办法。然而，由于量子系统的特殊性，其大大有别于经典系统的特性，使得以经典手段模拟量子系统却难以实现，这造成了这一想法迟迟未能很好的实现。
发明内容
本发明提供了一种全光纤量子态模拟装置及模拟方法，提供了一种简单的演示量子态模拟技术的装置和方法，更提供了一种利用经典手段模拟量子技术的新方法和新手段。
为了实现上述目的，本发明提供了一种全光纤量子态模拟装置，包括相干光源；隔离器；相位调制器；两个光纤分束器；可调衰减器；两个光电探测器；减法器；任意波信号发生器；信号发生器；混频器；低通滤波器以及数据采集模块。
相干光源发出的光场经过隔离器后进入两个光纤分束器组成的经典全光纤马赫曾德干涉仪。干涉仪的其中一个信号臂作为本振光场，另外一个信号臂作为信号光场。信号臂放置了一个相位调制器，由任意波信号发生器驱动，用以模拟光量子态。干涉仪的两个输出端口分别接入两个探测器中探测，探测器输出的信号经过减法器后进入混频器，与信号发生器的输出信号混频。混频器输出信号进入低通滤波器滤波后进入数据采集模块进行数据采集。
基于以上全光纤量子态模拟装置，本发明还提出了一种全光纤量子态模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，搭建上述系统，控制相干光源的输出功率在0.1-1mW左右；
步骤二，设置任意波信号发生器的输出波形，利用相位调制器调制光场的相位，调制信号f(t)为白噪声信号nW(t)的特定调制，以特定波形的白噪声模拟量子态的噪声特性：
f(t)＝F(t)*nW(t)+b(t)；
式中，F(t)和b(t)为特定的调制信号，根据所要模拟的量子态决定；
步骤三，设置信号发生器的解调信号为0.1-10MHz的正弦信号，使得经过混频后的信号携带了具有特定频率的光场态特性，用以模拟量子态的测量；正弦信号频率的选择依据数据采集模块的输出为准。改变正弦信号的频率，使得采集到的信号最大，此时正弦信号的频率为最优；
步骤四，数据采集模块采集低通滤波器输出的信号并分析其噪声特性；
步骤五，改变任意波信号发生器的输出，使得光场的调制F(t)和b(t)发生变化，模拟另一种量子态的特性。重复步骤三和步骤四即可获得新量子态的模拟情况。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明首次实现了全光纤系统的量子态模拟装置及模拟方法，填补了这一领域的空白。
(2)本发明实现了量子态模拟装置及方法演示，为利用经典手段模拟量子态提供一种全新的方法和手段，也大幅度降低了量子技术学习和应用的难度和成本。
(3)本发明利用光纤系统易于集成的特点，将量子态模拟技术集成，提高了系统稳定性，大大降低了量子态模拟技术的应用门槛，为量子态模拟技术的可重复性和高效性提供保障。
(4)本发明不仅能够模拟多种量子态，更能够模拟多种非经典的特殊状态，例如交叉相位调制等，且模拟操作方便，易于上手。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是发明实施例中全光纤量子态模拟装置的结构示意图。
1-相干光源，2-隔离器，3–第一光纤分束器，4–相位调制器，5–任意波信号发生器，6–第二光纤分束器，7–第一探测器，8–第二探测器，9–减法器，10–信号发生器，11–混频器，12–低通滤波器，13-数据采集模块。
图2是发明实施例中全光纤量子态模拟方法的流程图。
图3是发明实施例中量子态模拟技术最终模拟出来的量子真空压缩态噪声图谱。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明提供了一种全光纤量子态模拟装置，包括相干光源1，隔离器2，第一光纤分束器3，相位调制器4，任意波信号发生器5，第二光纤分束器6，第一探测器7，第二探测器8，减法器9，信号发生器10，混频器11，低通滤波器12和数据采集模块13。
相干光源1发出的光场经过隔离器2后进入第一光纤分束器3和第二光纤分束器6组成的全光纤马赫曾德干涉仪。全光纤马赫曾德干涉仪的其中一个信号臂作为本振光场，另外一个臂作为信号光场。信号臂放置了一个相位调制器4，由任意波信号发生器5驱动，用以模拟光量子态。全光纤马赫曾德干涉仪的两个输出端口分别接入第一探测器7和第二探测器8中探测，第一探测器7和第二探测器8输出的信号经过减法器9后进入混频器11，与信号发生器10的输出信号混频。混频器11输出信号进入低通滤波器12滤波后进入数据采集模块13进行数据采集。
采用上述全光纤量子态模拟装置实现全光纤量子态模拟方法，以模拟量子态还包括以下步骤：
步骤一，搭建上述系统，控制相干光源1的输出功率在1mW左右。
步骤二，设置任意波信号发生器5的输出波形，若模拟量子真空压缩态，则其调制信号f(t)为f(t)＝1+rcos2(t)*nW(t)；
其中，r表征压缩度，nW表征白噪声。此时调制信号光场的噪声状态与量子真空压缩态具有一定的相似性。
步骤三，设置信号发生器10的调制信号为1MHz的正弦信号，使得经过混频后的信号是解析1MHz处的光场噪声特性。
步骤四，数据采集模块13采集低通滤波器12输出的信号并分析其噪声特性，附图3中给出的就是模拟结果。
步骤五，改变任意波信号发生器5的输出，使得光场的调制发生变化，模拟另一种量子态的特性。重复步骤三-步骤四即可获得新量子态的模拟情况。
本发明的全光纤量子态模拟装置利用任意波信号发生器模拟部分量子态的内禀属性，并利用全光纤干涉仪替代传统的分立元件，实现了全光纤量子态的模拟和展示。该装置利用干涉仪产生任意的相位噪声调制，使得本发明不仅能够模拟多种量子态，更能够模拟多种非经典的特殊状态，例如交叉相位调制等，且模拟操作方便，易于上手。
本发明首次利用非量子的经典调制和干涉手段实现量子态的內禀属性模拟和演示，大幅度降低了量子技术学习和应用的难度和成本，且本发明装置具有全光纤系统的易于集成特性，具有良好的稳定性和高效可重复性，是一种优秀的量子态模拟演示和学习的工具和手段。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种全光纤量子态模拟装置，其特征在于，包括：相干光源(1)，隔离器(2)，第一光纤分束器(3)，相位调制器(4)，任意波信号发生器(5)，第二光纤分束器(6)，第一探测器(7)，第二探测器(8)，减法器(9)，信号发生器(10)，混频器(11)，低通滤波器(12)和数据采集模块(13)；
所述相干光源(1)发出的光场经过所述隔离器(2)后进入所述第一光纤分束器(3)和所述第二光纤分束器(6)组成的全光纤马赫曾德干涉仪；
所述全光纤马赫曾德干涉仪的一个信号臂作为本振光场，另一个信号臂作为信号光场；
信号臂设置了一个所述相位调制器(4)，由所述任意波信号发生器(5)驱动，用以模拟光量子态；
所述全光纤马赫曾德干涉仪的两个输出端口分别接入所述第一探测器(7)和所述第二探测器(8)中探测；所述第一探测器(7)和所述第二探测器(8)输出的信号经过所述减法器(9)后进入所述混频器(11)，与所述信号发生器(10)的输出信号混频；所述混频器(11)输出信号进入所述低通滤波器(12)滤波，滤波后进入所述数据采集模块(13)进行数据采集。
2.一种全光纤量子态模拟方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的全光纤量子态模拟装置，所述模拟方法包括以下步骤：
步骤一，控制相干光源(1)的输出功率在0.1-1mW；
步骤二，设置任意波信号发生器(5)的输出波形，调制信号光场的相位噪声状态以模拟量子态的性质；
步骤三，设置信号发生器(10)的调制信号为正弦信号，使得经过混频后的信号具有特定频率的光场态特性，用以模拟量子态的测量；
步骤四，数据采集模块(13)采集低通滤波器(12)输出的信号并分析其噪声特性；
步骤五，改变所述任意波信号发生器(5)的输出，使得光场的调制发生变化，模拟另一种量子态的特性；重复步骤三和步骤四获得新量子态的模拟情况。
3.根据权利要求2所述的全光纤量子态模拟方法，其特征在于，步骤二中利用相位调制器调制光场的相位，调制信号f(t)为白噪声信号nW(t)的特定调制，以特定波形的白噪声模拟量子态的噪声特性：
f(t)＝F(t)*nW(t)+b(t)；
式中，F(t)和b(t)为特定的调制信号，根据所要模拟的量子态决定。
4.根据权利要求2所述的全光纤量子态模拟方法，其特征在于，步骤三中所述信号发生器(10)输出正弦信号频率的选择依据数据采集模块(13)的输出为准；改变正弦信号的频率，使得采集到的信号最大，此时正弦信号的频率为最优。
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