CN111474802A - 一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，包括有双波长激光器、光学参量腔、光学滤波腔、高频光电调制系统、平衡零拍探测系统，可以实现基于一个光学参量腔同时产生压缩态光场以及纠缠态光场，进而分别进行相关量子光学实验验证，实现量子光源多功能化，最大限度节约量子资源，为进一步量子光源实用化提供技术支持和方案。

Description

一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置

技术领域

本发明属于量子信息科学以及量子光学技术领域，具体涉及一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置。

背景技术

在量子信息科学以及量子光学领域，连续变量量子压缩态光场以及纠缠态光场是非常重要的非经典光场，在量子通信、量子计量学、精密测量以及量子计算等方面有着重要的应用前景。非经典光场的制备以及其特性优劣直接影响着量子系统的性能。目前，在单独产生压缩态光场或者纠缠态光场方面已经有很多研究，基于光学参量过程制备压缩态光场的方法已经被广泛采用，在此方法中需要利用一个低于阈值的光学参量振荡腔来制备压缩态光场；利用两束压缩态光场在分束比为50：50的光学分束镜上干涉，来制备纠缠态光场的技术也已非常成熟；此外，基于改变II类相位匹配晶体的温度等参数可以实现利用一个光学参量振荡腔在不同参数条件下，制备出压缩态光场或者纠缠态光场。在不损失量子资源性能的同时，最大限度节约量子资源已经成为量子资源实用化过程中的必需条件，所以利用最少的量子资源同时制备多种不同类型非经典光场是十分有必要的。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，实现基于一个光学参量腔同时产生压缩态光场以及纠缠态光场，以最大限度节约量子资源。

为实现本发明目的而提供的一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，包括有双波长激光器、光学参量腔、光学滤波腔、高频光电调制系统、平衡零拍探测系统；所述双波长激光器输出的激光分为两路，一路激光输出频率为2ω₀，注入所述光学参量腔，另一路激光输出频率为ω₀，输出频率为ω₀的激光分为两部分：输出频率为ω₀的激光第一部分通过第一光学调制器产生调制边带，再通过隔离器注入所述光学参量腔，所述光学参量腔反射的频率为ω₀的光场通过所述隔离器后由PD₁收集，并提取误差信号，所述PD₁锁定所述光学参量腔的腔长和频率为ω₀激光与频率为2ω₀激光的相对位相，所述光学参量腔的自由光谱区为ω_f，所述光学参量腔输出的光场包含频率为ω₀的压缩光载波成分、频率为ω₀+ω_f的正边带频率模式以及ω₀-ω_f的负边带频率模式；输出频率为ω₀的激光第二部分通过所述高频光电调制系统，输出频率为ω₀和对应于正负边带真空频率模式ω₀±ω_f的相干辅助光，相干辅助光分为两部分：第一部分相干辅助光，通过第二光学调制器产生调制边带后，与所述光学参量腔输出的频率为ω₀的压缩态光场在分束镜上相干合成，一部分相干合成光由PD₂收集，所述PD₂锁定调制边带与压缩态光场的相对位相，另一部分相干合成光通过第一光学滤波腔透射频率为ω₀的压缩载波，注入BHD₁，所述第一光学滤波腔的反射部分注入第二光学滤波腔，所述第二光学滤波腔透射频率为ω₀+ω_f正边带频率模式，反射频率为ω₀-ω_f的负边带频率模式，分别注入BHD₂和BHD₃；第二部分相干辅助光，通过第三光学调制器，注入第三光学滤波腔，所述第三光学滤波腔透射频率为ω₀的载波相干辅助光后，注入所述BHD₁，所述第三光学滤波腔的反射部分注入第四光学滤波腔，所述第四光学滤波腔透射频率为ω₀+ω_f的正边带相干辅助光，反射频率为ω₀-ω_f的负边带相干辅助光，分别注入所述BHD₂、注入所述BHD₃；PD₃、PD₄、PD₅、PD₆分别锁定所述第一光学滤波腔、第二光学滤波腔、第三光学滤波腔、第四光学滤波腔的腔长，通过所述BHD₁和频谱分析仪测量压缩载波的量子噪声，通过所述BHD₂和所述BHD₃联合测量，验证正负边带的量子关联。

作为上述方案的进一步改进，所述光学参量腔由非线性晶体、光学输出耦合镜组成。

作为上述方案的进一步改进，所述非线性晶体为PPKTP晶体，一端为凸面，充当一面腔镜，镀有高反膜和减反膜，另一端为平面，镀有双减反膜。

作为上述方案的进一步改进，所述光学输出耦合镜为凹面镜。

作为上述方案的进一步改进，所述高频光电调制系统采用光纤波导相位调制器。

作为上述方案的进一步改进，所述第一光学滤波腔、第二光学滤波腔、第三光学滤波腔、第四光学滤波腔是三镜环形腔、三镜以上环形腔中的一种。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明包含一个光学参量腔，光学参量腔输出的光包含频率为ω₀的压缩光载波成分、频率为ω₀+n*ω_f的正边带频率模式以及ω₀-n*ω_f的负边带频率模式，其中对应的正边带频率模式和负边带频率模式可以组成纠缠态光场。本装置可以将压缩光不同频率成分单独过滤出来，从而同时制备出频率为ω₀的压缩光载波以及正负边带频率模式组成的纠缠态光场，实现基于一个光学参量腔同时产生两种类型的非经典光场，并可以分别进行相关量子光学实验验证，实现量子光源多功能化，为进一步量子光源实用化提供技术支持和方案。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的具体光路图；

图3是本发明的高频光电调制系统的调制效率测试结果；

图4是本发明的压缩光噪声特性测试结果；

图5是本发明的纠缠光噪声特性测试结果；

图6是本发明的纠缠光噪声特性测试结果。

其中，1-双波长激光器,2-第一光学调制器,3-隔离器，4-探测器PD₁，5-光学参量腔，6-探测器PD₂，7-第一光学滤波腔，8-探测器PD₃，9-平衡零拍探测系统BHD₁，10-第二光学滤波腔，11-探测器PD₄，12-平衡零拍探测系统BHD₂， 13-平衡零拍探测系统BHD₃，14-高频光电调制系统，15-第二光学调制器，16- 第三光学调制器，17-第三光学滤波腔，18-探测器PD₅，19-第四光学滤波腔，20- 探测器PD₆，21-频谱分析仪。

具体实施方式

如图1-图2所示，本发明提供的一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，包括有双波长激光器1、光学参量腔5、光学滤波腔、高频光电调制系统14、平衡零拍探测系统；

双波长激光器1采用双波长全固态激光器，输出的激光分为两路，一路激光输出频率为2ω₀，波长为532nm，通过移相器PS注入光学参量腔5，另一路激光输出频率为ω₀，波长为1064nm，输出频率为ω₀的激光分为两部分：

输出频率为ω₀的激光第一部分通过第一光学调制器2产生调制边带，再通过隔离器3注入光学参量腔5，光学参量腔5反射的频率为ω₀的光场通过隔离器3后由PD₁4收集，并提取误差信号，PD₁4锁定光学参量腔5的腔长和频率为ω₀激光与频率为2ω₀激光的相对位相，光学参量腔5的自由光谱区为ω_f，光学参量腔5输出的光场包含频率为ω₀的压缩光载波成分、频率为ω₀+ω_f的正边带频率模式以及ω₀-ω_f的负边带频率模式；

输出频率为ω₀的激光第二部分通过高频光电调制系统14，输出频率为ω₀和对应于正负边带真空频率模式ω₀±ω_f的相干辅助光，相干辅助光分为两部分：第一部分相干辅助光，通过第二光学调制器15产生调制边带后，与光学参量腔5输出的频率为ω₀的压缩态光场在分束镜上相干合成，一部分相干合成光由PD₂6收集，PD₂6锁定调制边带与压缩态光场的相对位相，另一部分相干合成光通过第一光学滤波腔7透射频率为ω₀的压缩载波，注入BHD₁9，第一光学滤波腔7的反射部分注入第二光学滤波腔10，第二光学滤波腔10透射频率为ω₀+ω_f正边带频率模式，反射频率为ω₀-ω_f的负边带频率模式，分别注入BHD₂12 和BHD₃13；第二部分相干辅助光，通过第三光学调制器16，注入第三光学滤波腔17，第三光学滤波腔17透射频率为ω₀的载波相干辅助光后，注入BHD₁9，第三光学滤波腔17的反射部分注入第四光学滤波腔19，第四光学滤波腔19透射频率为ω₀+ω_f的正边带相干辅助光，反射频率为ω₀-ω_f的负边带相干辅助光，分别注入BHD₂12、注入BHD₃13；

PD₃8、PD₄11、PD₅18、PD₆20分别锁定第一光学滤波腔7、第二光学滤波腔 10、第三光学滤波腔17、第四光学滤波腔19的腔长，通过BHD₁9和频谱分析仪 21测量压缩载波的量子噪声，通过BHD₂12和BHD₃13联合测量，验证正负边带的量子关联。

光学参量腔5采用的是半整块腔型结构，该腔由一片安装于压电陶瓷上的凹面镜和一块尺寸为10mm×2mm×1mm的PPKTP晶体构成，晶体的一端加工有曲率为12mm的凸面，充当一面腔镜，镀有1064nm高反膜和532nm 减反膜。晶体的另一端为平面镀有1064nm和532nm双减反膜，距输出耦合镜27mm，对应的自由光谱区为3.32GHz。输出耦合镜的凹面曲率半径为30 mm，对1064nm激光反射率为12％，对532nm为高反。上述所提高反膜，反射率均大于99.95％，减反膜，反射率均小于0.2％。PPKTP晶体的温度由两片帕尔贴元件控制在相位匹配点，约35摄氏度。压缩真空态和本底光在50： 50分束器上进行耦合，50：50分束器上的输出光束通过平衡零拍探测器BHD₁9 来检测噪声水平。

第一光学滤波腔7和第二光学滤波腔10均采用三镜环形腔结构，分别由两个透过率为10％的光学平面输入/输出耦合镜和一个曲率半径为1.0m，反射率大于99.992％的光学高反镜组成，谐振腔长为232.0mm，对应的线宽为 57MHz，自由光谱区1.29GHz。此滤波腔参数可实现第一光学滤波腔7和第二光学滤波腔10大于98％的透过率和反射率，进而达到信号光路中对高效传输的要求。

第三光学滤波腔17和第四光学滤波腔19具有相同的腔型结构和参数，二者均采用三镜环形腔结构，由两个透过率为0.5％的光学平面输入/输出耦合镜和一个曲率半径为1.0m，反射率大于99.992％的光学高反镜组成，谐振腔长为 232.0mm，对应的线宽为2MHz，自由光谱区1.29GHz。此参数可实现第三光学滤波腔17和第四光学滤波腔19对共振频率模式约80％的透过率，以及对其他非共振频率模式大于10^-5的抑制率，满足本底探测光路中对空间模式过滤及降低强度噪声的要求。

高频调制光电系统14采用光纤波导相位调制器，用频率与光学参量腔5 自由光谱区相等的ω_f射频信号驱动，可产生对称分布在载波两侧的正负边带光场。通过平衡零拍探测器BHD₂12和BHD₃13的联合测量，验证正负边带之间的量子关联特性。

以下是本发明的测试结果：

图3是高频光电调制系统14的调制效率测试结果，频率为ω₀的激光注入到光纤波导调制器中，通过微波信号发生器驱动光纤波导调制器，驱动频率为ω_f，通过加大驱动功率后，ω₀+ω_f的正边带相干辅助光以及ω₀-ω_f的负边带相干辅助光也会随之出现；将驱动功率加至24dBm，将辅助光入射到第三光学滤波腔17，将第三光学滤波腔17的腔长扫描，PD₅18探测辅助光频率成分，证明辅助光中包含ω₀的载波，ω₀+ω_f的正边带相干辅助光以及ω₀-ω_f的负边带相干辅助光。

图4是压缩光噪声特性测试结果，将BHD₁9信号接入频谱分析仪21可测量压缩光性质，挡住BHD₁9中的压缩光时，频谱分析仪21显示为a线，为散粒噪声极限SNL，当放开压缩光，扫描本地光位相时，显示c线，由c线可知所制备的压缩态光场可以突破SNL。

图5、图6是纠缠光噪声特性测试结果，将BHD₂12以及BHD₃13信号接入加法器或减法器后，通过频谱分析仪21可测量纠缠态光场性质，测量纠缠光振幅和分量结果如下图，可知两束光具有纠缠特性。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，包括有双波长激光器(1)、光学参量腔(5)、光学滤波腔、高频光电调制系统(14)、平衡零拍探测系统；

所述双波长激光器(1)输出的激光分为两路，一路激光输出频率为2ω₀，注入所述光学参量腔(5)，另一路激光输出频率为ω₀，输出频率为ω₀的激光分为两部分：

输出频率为ω₀的激光第一部分通过第一光学调制器(2)产生调制边带，再通过隔离器(3)注入所述光学参量腔(5)，所述光学参量腔(5)反射的频率为ω₀的光场通过所述隔离器(3)后由PD₁(4)收集，并提取误差信号，所述PD₁(4)锁定所述光学参量腔(5)的腔长和频率为ω₀激光与频率为2ω₀激光的相对位相，所述光学参量腔(5)的自由光谱区为ω_f，所述光学参量腔(5)输出的光场包含频率为ω₀的压缩光载波成分、频率为ω₀+ω_f的正边带频率模式以及ω₀-ω_f的负边带频率模式；

输出频率为ω₀的激光第二部分通过所述高频光电调制系统(14)，输出频率为ω₀和对应于正负边带真空频率模式ω₀±ω_f的相干辅助光，相干辅助光分为两部分：第一部分相干辅助光，通过第二光学调制器(15)产生调制边带后，与所述光学参量腔(5)输出的频率为ω₀的压缩态光场在分束镜上相干合成，一部分相干合成光由PD₂(6)收集，所述PD₂(6)锁定调制边带与压缩态光场的相对位相，另一部分相干合成光通过第一光学滤波腔(7)透射频率为ω₀的压缩载波，注入BHD₁(9)，所述第一光学滤波腔(7)的反射部分注入第二光学滤波腔(10)，所述第二光学滤波腔(10)透射频率为ω₀+ω_f正边带频率模式，反射频率为ω₀-ω_f的负边带频率模式，分别注入BHD₂(12)和BHD₃(13)；第二部分相干辅助光，通过第三光学调制器(16)，注入第三光学滤波腔(17)，所述第三光学滤波腔(17)透射频率为ω₀的载波相干辅助光后，注入所述BHD₁(9)，所述第三光学滤波腔(17)的反射部分注入第四光学滤波腔(19)，所述第四光学滤波腔(19)透射频率为ω₀+ω_f的正边带相干辅助光，反射频率为ω₀-ω_f的负边带相干辅助光，分别注入所述BHD₂(12)、注入所述BHD₃(13)；

PD₃(8)、PD₄(11)、PD₅(18)、PD₆(20)分别锁定所述第一光学滤波腔(7)、第二光学滤波腔(10)、第三光学滤波腔(17)、第四光学滤波腔(19)的腔长，通过所述BHD₁(9)和频谱分析仪(21)测量压缩载波的量子噪声，通过所述BHD₂(12)和所述BHD₃(13)联合测量，验证正负边带的量子关联。

2.根据权利要求1所述的一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，其特征在于：所述光学参量腔(5)由非线性晶体、光学输出耦合镜组成。

3.根据权利要求2所述的一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，其特征在于：所述非线性晶体为PPKTP晶体，一端为凸面，充当一面腔镜，镀有高反膜和减反膜，另一端为平面，镀有双减反膜。

4.根据权利要求2所述的一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，其特征在于：所述光学输出耦合镜为凹面镜。

5.根据权利要求1所述的一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，其特征在于：所述高频光电调制系统(14)采用光纤波导相位调制器。

6.根据权利要求1所述的一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置，其特征在于：所述第一光学滤波腔(7)、第二光学滤波腔(10)、第三光学滤波腔(17)、第四光学滤波腔(19)是三镜环形腔、三镜以上环形腔中的一种。

Images