CN111323986B - 一种基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统 - Google Patents

一种基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，该方法使用Sagnac光纤环路，基于光纤中的三阶非线性光学过程‑自发四波混频原理，包括：连续激光泵浦光源、密集波分复用器、掺铒光纤放大器、可变光衰减器、耦合器、功率计、滤波器、偏振控制器、可调延时线、Sagnac环、偏振分析仪、单光子探测器。本发明产生三光子偏振纠缠GHZ态的各部分组件，均可来自通讯波段商用化的成熟器件，这有利于光源的组装制备和实用化发展。通过此方法制备出的光源具有小型化、实用化、易与光纤系统集成的特点，所产生的纠缠三光子波长在1550nm波段，可在量子雷达、量子通讯、量子计量、多量子纠缠网络等领域得到广泛应用。

Description

一种基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统
技术领域
本发明属于超材料技术领域，涉及一种基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统。
背景技术
三光子偏振纠缠GHZ态由于其独特的量子特性，在量子信息科学领域具有广泛的应用价值。三光子偏振纠缠GHZ态或者多光子纠缠GHZ态，可应用于多方密码、分布式量子计算机、远程量子秘钥分发、量子隐形传态等民用领域。此外，三光子或多光子偏振纠缠GHZ态的光源还可以应用到军事领域，作为量子照射雷达的光源，将纠缠多光子发射出去，可实现对多个目标的探测和追踪，有望提升雷达的综合探测能力。目前，制备三光子偏振纠缠GHZ态的常见方法是利用非线性晶体中的自发参量下转换过程产生四光子偏振纠缠GHZ态，然后对其中一路光子进行投影测量，剩下的三个光子便是三光子偏振纠缠GHZ态。用此方法制备的三光子偏振纠缠纠GHZ态，通常使用体光学器件搭建而成，需要配合使用自由空间光路，要求精密的光学对准和稳定的实验环境，在实现高收集效率、器件进一步小型化和应付极端环境应用等方面存在局限；同时，需要使用波长跨度很大的光学元器件增加整个系统的复杂性。因此，人们需要更加易于制备、小型化、实用化等功能更优化的三光子偏振纠缠GHZ态光源。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种使用通讯波段的成熟器件来制备三光子偏振纠缠GHZ态的系统，基于三阶非线性光学过程-自发四波混频过程，实现整个装置具有易于制备、小型化、实用化、可光纤器件集成等特点。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统包括依次连接的连续激光泵浦光源1、第一密集波分复用器2、第四密集波分复用器3、掺铒光纤放大器4、第一可变光衰减器5、第一耦合器6、功率计7、第一滤波器8，第一滤波器8输出的两路波长不同的光，波长λ1的一路光子进入依次连接的第一偏振控制器9、可调延时线10、第二滤波器11，波长λ2的一路光子进入依次连接的第二偏振控制器12、第二可变光衰减器13、第三滤波器14，第二滤波器11和第三滤波器14的输出端连接第二耦合器15的输入端，第二耦合器15的输出端连接Sagnac环16，Sagnac环16包括偏振分束器、偏振控制器、光纤，光纤为色散位移光纤或保偏光纤；偏振分束器有a、b、c、d四个端口，a端口为输入端口，c端口为透射出射端口，b、d端口为反射出射端口，第二耦合器15输出的泵浦光经a端口输入到Sagnac环路中，经c、d两个端口分成H和V两个偏振分量，在色散位移光纤或保偏光纤处进行自发四波混频过程，生成新的光子；偏振控制器用于调节Sagnac环路中的泵浦光偏振方向；自发四波混频过程产生的新光子和残余泵浦光从b端口输出；b端口连接第三密集波分复用器17，第三密集波分复用器17将自发四波混频过程产生的频率分别为ω3、ω4、ω5的三种新光子分别过滤出来，频率ω3的新光子经依次连接的偏振控制器组件18、偏振分析仪19和单光子探测器20探测并计数后输出，频率ω4的新光子直接输出，频率ω5的新光子经分束器21输出两路频率ω5的新光子。
连续激光泵浦光源1用于提供连续稳定的泵浦光输出。
各个密集波分复用器、滤波器用于泵浦光子和生成光子的分光滤波，在本发明中，其主要作用是将波长λ1和λ2的光子从泵浦激光器中过滤出来，在时空上交叠，并作为激励光源，在Sagnac光纤环路中进行自发四波混频过程，产生频率为ω3、ω4、ω5的三种光子。
掺铒光纤放大器4用于调节通讯波段的泵浦光，起到提升泵浦光功率的功能，并在后续的光路中使得两路泵浦光的功率相同。
可调光衰减器用于调节最终进入Sagnac光纤环路的泵浦光功率，在该体系里面，拉曼噪声随泵浦光功率增大而线性增大，三光子产生效率与泵浦光的二次方成正比关系。因此为了能达到一个最优的信噪比，需要对入射泵浦光的功率进行最优选取，确定最佳的泵浦功率。
耦合器用于精确地进行光的分束及合束，在本项目中用来监测泵浦光功率的变化，并将波长为λ1和λ2的两路光子耦合进入Sangac光纤环路中，以及将生成频率为ω5的光子分成两路。
偏振控制器用于调节泵浦光的偏振方向，使得进入Sagnac光纤环路中的泵浦光具有相同的偏振状态，并在Sagnac光纤环路中控制泵浦光的偏振状态得以保持基本不变。
可调延时线用于调节两路泵浦光的时间差，确保分别来自两路泵浦光的两个脉冲信号同时到达耦合器，在时空上重叠。
Sagnac光纤环路用于发生四波混频过程，产生偏振方向分别为H和V的频率为ω3、ω4、ω5的三种光子，并将生成的光子从偏振分束器中输出。为了降低噪声光子的产率，需将Sagnac光纤环路置于液氮等低温环境，抑制拉曼噪声光子的生成。
偏振分析仪用于检测频率为ω3的光子偏振状态。
单光子探测器用于对ω3光子进行探测和计数。
(三)有益效果
上述技术方案所提供基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，利用了光纤中的自发四波混频过程制备出四光子偏振纠缠态，通过对一路光子进行投影测量，得到三光子偏振纠缠态；该系统使用的所有器件，均可来自通讯波段成熟的器件，使得纠缠源具有小型化、稳定输出的特点；不需要自由空间光学，且易与光纤器件集成，能大大提升纠缠光子的收集和应用范围；利用该系统制备的偏振纠缠三光子态可应用在量子通讯、量子网络、量子探测等领域。
附图说明
图1为本发明的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的结构示意图。
图2为本发明的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统包括依次连接的连续激光泵浦光源1、第一密集波分复用器2、第四密集波分复用器3、掺铒光纤放大器4、第一可变光衰减器5、第一耦合器6、功率计7、第一滤波器8，第一滤波器8输出的两路波长不同的光，波长λ1的一路光子进入依次连接的第一偏振控制器9、可调延时线10、第二滤波器11，波长λ2的一路光子进入依次连接的第二偏振控制器12、第二可变光衰减器13、第三滤波器14，第二滤波器11和第三滤波器14的输出端连接第二耦合器15的输入端，第二耦合器15的输出端连接Sagnac环16，Sagnac环16包括偏振分束器、偏振控制器、光纤，光纤为色散位移光纤或保偏光纤；偏振分束器有a、b、c、d四个端口，a端口为输入端口，c端口为透射出射端口，b、d端口为反射出射端口，第二耦合器15输出的泵浦光经a端口输入到Sagnac环路中，经c、d两个端口分成H和V两个偏振分量，在色散位移光纤或保偏光纤处进行自发四波混频过程，生成新的光子；偏振控制器用于调节Sagnac环路中的泵浦光偏振方向；自发四波混频过程产生的新光子和残余泵浦光从b端口输出；b端口连接第三密集波分复用器17，第三密集波分复用器17将自发四波混频过程产生的频率分别为ω3、ω4、ω5的三种新光子分别过滤出来，频率ω3的新光子经依次连接的偏振控制器组件18、偏振分析仪19和单光子探测器20探测并计数后输出，频率ω1的新光子直接输出，频率ω6的新光子经分束器21输出两路频率ω5的新光子。
三光子偏振纠缠GHZ态产生原理，如图2所示：将波长分别为λ1和λ2，对应频率分别为ω1和ω2的两束波长不同、重复频率相同的线偏振脉冲泵浦光在时空上叠加在一起，沿着与偏振分束器(PBS)主轴成45°夹角入射其中，经过PBS分束以后，它们都将分为等量的H和V偏振方向正交的两部分，并从PBS的两个输出端输出。一段作为非线性媒质的色散位移光纤或保偏光纤与PBS的两个输出端相连接，构成Sagnac光纤环路。从PBS两个输出端口中输出的泵浦脉冲，从顺时针和逆时针方向进入到色散位移光纤中，将激励自发标量四波混频过程的发生。在满足动量守恒和能量守恒的条件下，顺时针或逆时针泵浦脉冲中，两个ω1光子湮灭的同时产生一个ω3的光子和一个ω5的光子，其中ω1、ω3、ω5光子的偏振方向一致，即逆时针方向2Hω1＝Hω3+Hω6，顺时针方向2Vω1＝Vωa+Vω8；两个ω2光子湮灭的同时产生一个ω4的光子和一个ω5的光子，其中ω2、ω4、ω5光子的偏振方向一致，即逆时针方向2Hω2＝Hω4+Hωb和顺时针方向2Vω2＝Vω4+Vω3。当这两个四波混频过程同时发生的时候，所产生的是一个四光子偏振纠缠态，即
Figure BDA0002324599790000051
其中H3、H5、H4分别代表偏振方向为H的ω3、ω5、ω4光子，V3、V5、V4分别代表偏振方向为V的ω3、ω5、ω4光子。值得指出，由于ω1和ω2两个泵浦脉冲产生的光子中均含有ω6波长的光子，因此两个泵浦波长在产生上述四光子态的过程中互为单光子注入，使得上述四光子纠缠产生过程可以通过单光子受激辐射大大增加产生效率。此外，相比于两个自发四波混频产生同时发生而产生的四光子直积态，受激辐射过程辅助产生的纠缠态为四光子GHZ态。进一步地，对生成的四光子偏振纠缠态的一路光子进行投影测量，则剩下为三光子偏振纠缠态。比如将频率为ω3的一路光子进行投影测量，最终输出的三光子偏振纠缠态为
Figure BDA0002324599790000061
三光子偏振纠缠GHZ态的纠缠保真度模拟计算：两个频率为ω1的光子有一定的概率P发生自发四波混频过程，产生两个频率为ω3和ω5的光子；同理，两个频率为ω2的光子也有一定的概率P发生自发四波混频过程，产生两个频率为ω5和ω4的光子。考虑到在一个泵浦波长产生单光子对另一个泵浦波长进行注入的情况下，一次自发辐射配合一次受激辐射的过程，产生四光子GHZ量子态的概率是2P×P＝2P2；进一步，两个泵浦波长相互促进，最终通过上述过程产生GHZ量子态的概率不小于4P2，考虑到顺时针和逆时针两个方向对等，总的产生概率不小于8P2。另一方面，通过两个自发四波混频过程产生直积四光子态的几率为2P2。在最终生成的四光子态中，四光子GHZ态与噪声态的比值为9：1，因此理论上的保真度可达到90％。
产生的四光子偏振纠缠态在通过投影测量一路光子后变成三光子偏振纠缠态。过程如下：
Figure BDA0002324599790000062
可以改写为
Figure BDA0002324599790000063
将频率为ω3的光子进行投影测量，得到三光子纠缠态
Figure BDA0002324599790000064
可以写为
Figure BDA0002324599790000065
在投影测量的基础上，结合上述四光子GHZ态产生的理论分析，考虑投影测量保真度为1，最终产生三光子GHZ纠缠态的保真度理论值可达到90％。
三光子偏振纠缠GHZ态的产生过程：选用宽谱脉冲激光源(组件1，其光谱覆盖波长λ1和λ2)作为激励源，经过分光滤波装置(组件2和3)将中心波长为λ1和λ2的脉冲泵浦光一并选出。脉冲的峰值功率通过掺铒光纤放大器(组件4)进行进一步放大，脉冲泵浦光的功率通过可调衰减器(组件5)进行调整。随后将脉冲泵浦光输入99：1的分束器中(组件6)，将1％的泵浦光接入光功率计(组件7)用来检测功率的变化。剩余泵浦光输入到分光滤波装置中(组件8)，将中心波长为λ1和λ2的脉冲泵浦光分离开来。
脉冲泵浦光λ1和λ2经分光滤波装置输入到不同光路中去，通过调节两路中的偏振控制器(组件9和12)使得两路光的偏振状态相同，调节可调延时线(组件10)使得两路脉冲光在时间上交叠，调节可调光学衰减器(组件13)使得两路脉冲光的强度相等。随后通过第二、第三滤波器11和14对两路脉冲泵浦光ω1与ω2(对应波长为λ1和λ2)分别进行滤波。脉冲泵浦光ω1与ω2通过50：50的第二耦合器15进行合束，将合束后的双脉冲泵浦光从PBS的a端口输入，H偏振方向和V偏振方向的光子分别从c端口和d端口进入Sagnac光纤环路中，在环路中输入泵浦光通过自发四波混频产生四光子态。
Sagnac光纤环路由一支商用四端口的偏振分束器(PBS)和一段单模色散位移光纤(DSF)构成。为了避免光纤中自发拉曼散射影响光子态的关联质量，实验中光纤静置于液氮等低温环境中，通过降低其外部环境温度减小拉曼噪声光子的产生。同时由于光纤弯曲与抖动会导致单模光纤中光的偏振变化，所以在环路中加入两个偏振控制器，通过调节这两个偏振控制器使得环路中光的偏振状态得以保持基本不变。
产生的四光子态和剩余的泵浦光从PBS的b端口输出，紧接着进入分光滤波装置中，依次将频率为ω3、ω4与ω5的光子选出，在选取频率为ω5的光子时候，加入一个50：50的分束器21使得频率为ω5的光子被等量地分成两份。为了得到三光子态的偏振纠缠特性，实验中需要使用偏振分析仪对频率为ω3的光子进行投影测量。投影测量装置包括：一个划桨式偏振控制器、一个可旋转的四分之一波片Q、一个可旋转的二分之一波片H和一个检偏器P。频率为ω3的光子通过单光子探测器20进行计数。经过投影测量后，最终得到一个三光子偏振纠缠GHZ态的光源。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，包括依次连接的连续激光泵浦光源(1)、第一密集波分复用器(2)、第四密集波分复用器(3)、掺铒光纤放大器(4)、第一可变光衰减器(5)、第一耦合器(6)、功率计(7)、第一滤波器(8)，连续激光泵浦光源(1)用于提供稳定的泵浦光输出，第一密集波分复用器(2)、第四密集波分复用器(3)用于选取设定波长的泵浦光，掺铒光纤放大器(4)用于提升泵浦光功率，第一可变光衰减器(5)用于将两路泵浦光的功率调成一样，第一耦合器(6)对光束耦合，功率计(7)用于监测泵浦光功率；第一滤波器(8)输出两路波长不同的光，波长λ1的一路光子进入依次连接的第一偏振控制器(9)、可调延时线(10)、第二滤波器(11)，波长λ2的一路光子进入依次连接的第二偏振控制器(12)、第二可变光衰减器(13)、第三滤波器(14)，第二滤波器(11)和第三滤波器(14)的输出端连接第二耦合器(15)的输入端，第二耦合器(15)的输出端连接Sagnac环(16)，Sagnac环(16)包括偏振分束器、第三偏振控制器、光纤，光纤为色散位移光纤或保偏光纤；第三偏振分束器有a、b、c、d四个端口，a端口为输入端口，c端口为透射出射端口，b、d端口为反射出射端口，第二耦合器(15)输出的泵浦光经a端口输入到Sagnac环路中，经c、d两个端口分成H和V两个偏振分量，在色散位移光纤或保偏光纤处进行自发四波混频过程，生成新的光子；第三偏振控制器用于调节Sagnac环路中的泵浦光偏振方向；自发四波混频过程产生的新光子和残余泵浦光从b端口输出；b端口连接第三密集波分复用器(17)，第三密集波分复用器(17)将自发四波混频过程产生的频率分别为ω3、ω4、ω5的三种新光子分别过滤出来，频率ω3的新光子经依次连接的第四偏振控制器(18)、偏振分析仪(19)和单光子探测器(20)探测并计数后输出，频率ω4的新光子直接输出，频率ω5的新光子经分束器(21)输出两路频率ω5的新光子。
2.如权利要求1所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述连续激光泵浦光源(1)为光纤耦合的连续激光器，包括固体激光器、气体激光器、半导体激光器以及染料激光器中的任何一种，能产生持续的泵浦光，中心波长范围为1530nm～1600nm。
3.如权利要求2所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述第一密集波分复用器(2)、第四密集波分复用器(3)均拥有三个端口，一个公共端口，一个透射端口，一个反射端口，公共端口作为光输入和输出的端口，透射端口透射通过设定波长的光，反射端口输出设定波长之外的光；第一密集波分复用器(2)的公共端口连接连续激光泵浦光源(1)的输出端口，透射端口输出某一设定波长λ1的光，反射端口输出其他波长的光；第四密集波分复用器(3)的透射端口连接第一密集波分复用器(2)的反射端，从而另一设定波长λ2的光从第四密集波分复用器(3)的公共端口输出；同时，第四密集波分复用器(3)的反射端口连接第一密集波分复用器(2)的透射端，将波长λ1的光也从第四密集波分复用器(3)的公共端口输出；此时，第四密集波分复用器(3)的公共端口输出波长λ1和λ2的光。
4.如权利要求3所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述分束器(21)将生成的频率为ω5的光子分开成50∶50的两束。
5.如权利要求4所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述第一滤波器(8)为光纤耦合的滤波器，选用基于耦合器的光纤滤波器、基于光纤光栅的光纤滤波器、基于光纤干涉仪的光纤滤波器以及基于声光调制机制的声光滤波器中的任何一种，工作波长为实际所需的设定波长；第一滤波器(8)的公共端口与第一耦合器(6)的99％输出端口相连，透射端和反射端分别输出波长为λ1、λ2的光。
6.如权利要求5所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述第一偏振控制器(9)和第二偏振控制器(12)选用波片型偏振控制器或光纤环型偏振控制器，两个偏振控制器同时调节，使得波长为λ1、λ2的两路光子在进入第二耦合器(15)时拥有相同的偏振状态。
7.如权利要求6所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述可调延时线(10)控制两路泵浦光到达第二耦合器(15)的时间差，确保分别来自两路泵浦光的两个脉冲信号同时到达第二耦合器(15)，在时空上重叠。
8.如权利要求7所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述第二滤波器(11)和第三滤波器(14)为光纤耦合的滤波器，选用基于耦合器的光纤滤波器、基于光纤光栅的光纤滤波器、基于光纤干涉仪的光纤滤波器以及基于声光调制机制的声光滤波器中的任何一种，工作波长为实际所需的设定波长；第二滤波器(11)的公共端口与可调延时线(10)输出端口相连，用于输出波长为λ1的光子；第三滤波器(14)的公共端口与第二可变光衰减器(13)输出端口相连，用于输出波长为λ2的光子。
9.如权利要求8所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述第四偏振控制器(18)为波片型偏振控制器、光纤环型偏振控制器中的任何一种，用于调节1550nm波段的泵浦光偏振方向，调整频率为ω3生成光子的偏振状态。
10.如权利要求9所述的基于Sagnac光纤环路产生三光子偏振纠缠GHZ态的系统，其特征在于，所述偏振分析仪(19)包括四分之一波片、二分之一波片和检偏器，用于分析新产生的ω3光子的偏振状态，并进行投影测量；单光子探测器(20)为Si-APD单光子探测器、InGaAs-InP APD单光子探测器、超导纳米线单光子探测器中的一种，用于对ω3光子进行探测和计数。
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