CN111624830B - 一种高维量子纠缠光源光学系统 - Google Patents

一种高维量子纠缠光源光学系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种高维量子纠缠光源光学系统，包括：泵浦激光源；微观透镜阵列，位于所述泵浦激光源的出光侧；非线性晶体，贴附在所述微观透镜阵列远离所述泵浦激光源的一侧；所述微观透镜阵列和所述非线性晶体相互平行；所述泵浦激光源为连续泵浦激光源；所述泵浦激光源出射光的相干长度大于所述微观透镜阵列的对角线长度。以解决传统制备量子纠缠态的光学系统尺寸较大，导致系统容易受到外界振动和扰动的影响，造成系统不够稳定和通用性差的问题，以及传统的制备量子纠缠态的光学系统无法实现对光场有效控制的问题。

Description

一种高维量子纠缠光源光学系统
本申请要求在2020年5月11日提交中国专利局、申请号为202010390372.5、发明名称为“一种高维量子纠缠光源光学系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及量子纠缠技术领域，具体的涉及一种高维量子纠缠光源光学系统。
背景技术
量子信息技术已经成为21世纪最活跃、最重要的科学研究领域之一。由于在众多量子系统中，相比于超导和原子系统复杂的相互作用和控制时序，光子系统易于编码，并具有可以在多个自由维度上进行操作的优势，因此以光子为基础的量子光学在量子信息技术的研究中具有可观的前景。
在量子光学的众多的研究方向中，实现并有效操控高维度量子纠缠一直是该领域的核心所在。高维纠缠的量子系统可以为量子计算和模拟提供更多的资源和能力；可以增强对贝尔不等式和EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)不等式的违背；在量子通讯中具备更大的容量和更强的抗干扰能力。但是，传统的制备量子纠缠光源光学系统存在系统尺寸较大的问题，系统尺寸较大则会导致系统容易受到外界环境的振动和扰动影响，造成系统不够稳定和通用性差的问题；另外，传统的制备量子纠缠态光源光学系统无法实现对光场的有效控制。
发明内容
本申请提供一种高维量子纠缠光源光学系统，以解决传统制备量子纠缠光源光学系统尺寸较大，导致系统容易受到外界振动和扰动的影响，造成系统不够稳定和通用性差的问题，以及传统的制备量子纠缠光源光学系统无法实现对光场的有效控制的问题。
一种高维量子纠缠光源光学系统，包括：
泵浦激光源；
微观透镜阵列，位于所述泵浦激光源的出光侧；
非线性晶体，贴附在所述微观透镜阵列远离所述泵浦激光源的一侧；
所述微观透镜阵列和所述非线性晶体相互平行；所述泵浦激光源为连续泵浦激光源；所述泵浦激光源出射光的相干长度大于所述微观透镜阵列的对角线长度。
由以上技术方案可知，本申请提供的一种高维量子纠缠光源光学系统，包括：泵浦激光源；微观透镜阵列，位于所述泵浦激光源的出光侧；非线性晶体，贴附在所述微观透镜阵列远离所述泵浦激光源的一侧；所述微观透镜阵列和所述非线性晶体相互平行；所述泵浦激光源为连续泵浦激光源；所述泵浦激光源出射光的相干长度大于所述微观透镜阵列的对角线长度。通过本申请提供的一种高维量子纠缠光源光学系统，利用微观透镜体积小，易集成的特点，将微观透镜阵列与非线性晶体贴附在一起，可以实现将整个光学系统集成于一个或几个芯片上，缩小了整个光源光学系统的尺寸，可以避免由于尺寸过大容易受到周边环境振动和扰动的影响，以保证整个光学系统更加稳定的运行，增强光学系统的可通用性，以及可以实现光学系统的小型化和集成化。利用微观透镜灵活的光场调控能力，可以通过二维的结构设计，对光的相位、偏振、振幅等的任意操控，实现对泵浦激光源发出的光进行路径分束、聚焦和调制，以达到对光场的有效控制。同时结合非线性晶体，实现通过紧凑型的大规模非线性自发参量下转换过程，制备高质量的高维量子纠缠光源，可大幅度提高量子纠缠的维度。本申请提供的高维量子纠缠光源光学系统制备工艺简单、成本较低，适合普遍应用和大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例提供的一种高维量子纠缠光源光学系统结构示意图；
图2为图1所示高维量子纠缠光源光学系统的光传输状态示意图；
图3为图1所示微观透镜阵列的一种显微图像；
图4为光经过图3所示微观透镜阵列后在焦平面上的光成像；
图5为焦点阵列在非线性晶体内发生自发参量下转换时得到参量光子对阵列在电子倍增CCD下的光成像；
图6为本申请实施例提供的另一种高维量子纠缠光源光学系统结构示意图；
图7为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的一种俯视图；
图8为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的另一种俯视图；
图9为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的又一种俯视图；
图10为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的一种侧视图；
图11为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的另一种侧视图；
图12为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的又一种侧视图；
图13为图1所示高维量子纠缠光源光学系统的检测光路示意图；
图14为根据图13所示检测光路输出数据绘制的一种三维等密度矩阵的实部图表和虚部图表；
图15为根据图13所示检测光路输出数据绘制的一种四维等密度矩阵的实部图表和虚部图表；
图16为根据图13所示检测光路输出数据绘制的一种二维等密度矩阵的实部图表和虚部图表；
图17为根据图13所示检测光路输出数据绘制的另一种二维等密度矩阵的实部图表和虚部图表；
图18为根据图13所示检测光路输出数据绘制的又一种二维等密度矩阵的实部图表和虚部图表；
图19为根据图13所示检测光路输出数据绘制的再一种二维等密度矩阵的实部图表和虚部图表。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种高维量子纠缠光源光学系统结构示意图。如图1所示，本申请提供一种高维量子纠缠光源光学系统，包括：泵浦激光源1、微观透镜阵列2和非线性晶体3。泵浦激光源1可以为连续泵浦激光源，泵浦激光源1出射光的相干长度需要大于微观透镜阵列2的对角线长度。微观透镜阵列2位于泵浦激光源1的出光侧；非线性晶体3贴附在微观透镜阵列2远离泵浦激光源1的一侧；微观透镜阵列2和非线性晶体3相互平行。高维量子纠缠光源光学系统还可以包括半波片4，半波片4位于泵浦激光源与微观透镜阵列2之间，且泵浦激光源1的出射光垂直入射在半波片4上；半波片4分别与微观透镜阵列2和非线性晶体3平行。微观透镜阵列2包括呈m×n阵列排布的多个微观透镜21,形成一个透镜阵列的平面，其中m和n的乘积是大于1的正整数。图1所示的是5×5的微观透镜阵列2，即m＝n＝5，图1所示微观透镜21的数量和排布方式只是示意性的，不作为本申请的限定。微观透镜21的材料可以采用具有高折射率和高透过率的材料，可以是具有微结构的玻璃或者塑料，还可以是氮化镓晶体、二氧化钛晶体和氮化硅晶体中的一种，本申请不作具体限定。微观透镜21可以是超构透镜或者其他微透镜，本申请不作具体限定。非线性晶体3可以是BBO晶体、KTP晶体和铌酸锂晶体中的一种，但是本申请不作具体限定，只要能实现自发参量下转换(Spontaneous Parametric Down-conversion，SPDC)的晶体均可。BBO晶体的透光范围极宽，吸收系数极低，压电振铃效应较弱，相对于其他的电光调制晶体，具有更高的消光比，较大的相匹配角，较高的抗光损伤阈值、宽带的温度匹配以及优良的光学均匀性，有利于提高光输出功率稳定性。为清楚的表示微观透镜阵列2的结构特点，图1所示高维量子纠缠光源光学系统结构将微观透镜阵列2与非线性晶体3进行了拆分示意，在实际的光学系统内，微观透镜阵列2与非线性晶体3是贴附在一起的。半波片4、微观透镜阵列2和非线性晶体3的中心轴可以在同一直线上，也可以不在同一直线上，本申请不作具体限定。微观透镜21可以为圆形,每个微观透镜21的直径可以相同，每个微观透镜21的焦距可以相同。每个微观透镜21的相位、偏振以及振幅均可以相同，也可以不同，每个微观透镜21的相位、偏振以及振幅均可以根据需要进行设计。
图2为图1所示高维量子纠缠光源光学系统的光传输状态示意图，图3为图1所示微观透镜阵列的一种显微图像，图4为光经过图3所示微观透镜阵列后在焦平面上的光成像，图5为焦点阵列在非线性晶体内发生自发参量下转换时得到参量光子对阵列在电子倍增CCD下的光成像。结合图1-图5，泵浦激光源1发出的光束经过半波片4得到特定偏振方向E的光L，图2所示特定偏振方向E只是示意性的表示，不作为本申请的限定，特定偏振方向E的光L沿着方向Y入射到微观透镜阵列2上，得到多维度焦点阵列J，实现对泵浦激光源出射光束进行均匀分束和再聚焦。如图3所示，当微观透镜阵列2包括呈10×10阵列排布的多个微观透镜21时，特定偏振方向的光L入射到10×10维微观透镜阵列2上，特定偏振方向的光L被均匀分成10×10份后再分别进行聚焦，得到如图4所示的10×10维的焦点阵列J。10×10维的焦点阵列J在非线性晶体3中发生多路自发参量下转换过程，如图5所示，特定偏振方向的光L经过每个微观透镜21和BBO晶体后会得到一个参量光子对G，最后得到10×10参量光子对阵列，10×10参量光子对阵列则构成了一个10×10的高维量子纠缠光源。当m和n取值较大时，则可以得到更高维的量子纠缠光源。当泵浦激光源1出射光的相干长度大于微观透镜阵列2的对角线长度时，由于无法获知m×n维参量光子对阵列中任意一对光子来源于哪一个微观透镜21对应的光传输路径，光量子纠缠态表达式可以写为：
Figure BDA0002525553240000041
因此可以构成一个m×n维的路径编码量子纠缠态。通过对每个微观透镜21相位的不同设定，可以得到具有不同相位编码的微观透镜阵列2，不同的相位编码可以代表不同的信息。特定偏振方向E的光L入射到具有设定相位编码的微观透镜阵列2上，可以使从微观透镜阵列2上出射的光具有多路径编码量子纠缠态，此时，光携带有相位编码对应的设定信息。因此，可以通过对每个微观透镜21相位的不同设定来实现对高维量子纠缠光源进行准确的相位编码，实现在泵浦光源上加载可控的相位信息。需要说明的是图3所示(a)、图4所示(b)和图5所示(c)均是图像生成装置自带的图像编号，无其他含义。图3-图5的图像是基于微观透镜采用超构透镜实现的对应图像，图3所示微观透镜21的数量只是示意性的，图4和图5是基于图3所示微观透镜的排布方式得到的，图4和图5是基于泵浦激光源1发出的光为404nm时得到的图像。
本实施例提供的一种高维量子纠缠光源光学系统，利用微观透镜体积小，易集成的特点，将微观透镜阵列2与非线性晶体3贴附在一起，可以将整个光学系统集成于一个或几个芯片上，缩小整个光源光学系统的尺寸，可以实现光学系统的小型化和集成化，同时可以避免由于尺寸过大容易受到周边环境振动和扰动的影响，以保证整个光学系统更加稳定的运行，增强光学系统的可通用性。利用微观透镜灵活的光场调控能力，可以通过二维的结构设计，对光的相位、偏振、振幅等的任意操控，实现对泵浦激光源发出的光进行路径分束、聚焦和调制，以达到对光场的有效控制。同时结合非线性晶体，实现通过紧凑型的大规模非线性自发参量下转换过程，制备高质量的高维量子纠缠光源，可大幅度提高量子纠缠的维度。本实施例提供的高维量子纠缠光源光学系统制备工艺简单、成本较低，适合普遍应用和大规模生产。
图6为本申请实施例提供的另一种高维量子纠缠光源光学系统结构示意图。如图6所示，高维量子纠缠光源光学系统还包括整形透镜5，整形透镜5位于半波片4和微观透镜阵列2之间。整形透镜5可以是普通透镜，可以用于对从半波片4出射的偏振光进行整形，根据需要对光束进行收敛或发散，本申请不作具体限定，可根据具体情况设定。
图7为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的一种俯视图，图8为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的另一种俯视图，图9为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的又一种俯视图，图10为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的一种侧视图，图11为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的另一种侧视图，图12为图1所示微观透镜在扫描电子显微镜下的又一种侧视图。如图7-图12所示，每个微观透镜21包括多个呈阵列排布的微观结构211，图7-图12所示的微观透镜21为超构透镜，微观结构211是纳米圆柱，微观结构211还可以是纳米方柱，本申请不作具体限定。每个微观透镜21的相位、偏振和振幅可以由微观结构211的尺寸来决定。例如，微观透镜21采用超构透镜时，微观结构211是纳米圆柱的情况下，每个超构透镜的相位、偏振和振幅均可以由纳米圆柱的半径、高度以及排布周期等决定。例如，纳米圆柱的排布周期可以是200nm，高度可以是800nm，半径可以在27nm-60nm范围内。当微观透镜21采用氮化镓晶体时，对氮化镓晶体采用自上而下的刻蚀工艺可以实现超构透镜的批量生产，生产效率较高。每个微观透镜阵列2的边长可以是100μm，焦距可以是1.1mm。本实施例所举例的数值均是示意性的，不作为本申请的限定。
每个微观透镜21的相位分布函数满足如下关系式：
Figure BDA0002525553240000051
其中，i是微观透镜的编号，λ是泵浦激光源出射光的波长，fi是第i微观透镜的预设焦距，Ri,j是第i微观透镜上任意一点j到该第i微观透镜几何中心点的距离，j是第i微观透镜上任意一点的编号，j的取值是任意自然数，φi是第i微观透镜的初始设定相位，
Figure BDA0002525553240000052
是第i微观透镜的相位分布函数。需要说明的是，预设焦距和初始设定相位均是根据实际需要进行设定，通常依据所要加载到光里面的编码信息进行具体的相位编码设计。
依据所要加载到光里面的编码信息设定第i微观透镜的预设焦距fi和第i微观透镜的初始设定相位φi后，结合泵浦激光源出射光的波长λ和第i微观透镜上任意一点j到该第i微观透镜几何中心点的距离Ri,j，可以得到每个微观透镜各个点位上的相位，从而得到每个微观透镜所有点位相位的分布函数。由于根据相位编码设计，每个微观透镜的预设焦距fi和初始设定相位φi均可以不同，所以每个微观透镜所有点位的相位分布函数也可以是不同的，以此实现对光源的相位编码设计。举例说明，依据每个微观透镜的相位分布函数，在相应材料的微观结构尺寸与相位对应关系库中查找所有点位的相位对应的微观结构的尺寸数据，根据所有点位微观结构的尺寸数据制备微观透镜。需要说明的是相应材料的微观结构尺寸与相位对应关系库可以根据相应的模拟软件计算得到。例如，表1为微观透镜材料采用氮化镓时，纳米圆柱的半径与相位的对应关系表。表1所示的数据是在氮化镓纳米圆柱的排布周期是200nm，高度是800nm的条件下得到的对应关系表，氮化镓纳米圆柱的半径可以在27nm-60nm范围内。表1只是示意性表示部分数据，不作为本申请的限定。
Figure BDA0002525553240000061
表1
图13为图1所示高维量子纠缠光源光学系统的检测光路示意图。如图13所示，检测光路需要用到的光学器件包括半波片4、物镜01、双色镜02、滤波片03、普通透镜04、偏振分束器05(PBS)、小型半波片06、光束位移器07、四分之一波片08、干涉滤波片09和单光子探测器10(APD)。双色镜02可以保留波长808nm的光，将808nm附件的光尽可能滤掉。图13所示的检测光路可以通过四个单光子探测器10得到四个电信号，计算任意两个电信号的逻辑关系符合数，将逻辑关系符合数带入相应模型公式计算得到等密度矩阵图表，例如，在泵浦激光源1发出的光为404nm的条件下，图14为根据图13所示检测光路输出数据绘制的一种三维量子纠缠态等密度矩阵的实部(Re)图表和虚部(Im)图表，图15为根据图13所示检测光路输出数据绘制的一种四维量子纠缠态等密度矩阵的实部图表和虚部图表，图16为根据图13所示检测光路输出数据绘制的一种二维量子纠缠态等密度矩阵的实部图表和虚部图表，图17为根据图13所示检测光路输出数据绘制的另一种二维量子纠缠态等密度矩阵的实部图表和虚部图表，图18为根据图13所示检测光路输出数据绘制的又一种二维量子纠缠态等密度矩阵的实部图表和虚部图表，图19为根据图13所示检测光路输出数据绘制的再一种二维量子纠缠态等密度矩阵的实部图表和虚部图表。图14-图19所示二维、三维和四维的量子纠缠态的密度矩阵结果，所得到的保真度的均超过94％，表明该系统可以制备高质量高维度量子纠缠态。进一步的，通过微观透镜可以对光场的相位、偏振及振幅等信息进行调控，进而对量子态进行调控和编码。这里设计了具有不同的相位的微观透镜阵列分布，图16、图17、图18和图19是分别基于相邻两微观透镜之间的相位差分别为
Figure BDA0002525553240000062
和
Figure BDA0002525553240000063
的二维微观透镜阵列对应的二维量子纠缠态的测试结果，保真度均大于96％。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

Claims (10)

1.一种高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，包括：
泵浦激光源(1)；
微观透镜阵列(2)，位于所述泵浦激光源(1)的出光侧；
非线性晶体(3)，贴附在所述微观透镜阵列(2)远离所述泵浦激光源(1)的一侧；
所述微观透镜阵列(2)和所述非线性晶体(3)相互平行；所述泵浦激光源(1)为连续泵浦激光源；所述泵浦激光源(1)出射光的相干长度大于所述微观透镜阵列(2)的对角线长度。
2.根据权利要求1所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，还包括半波片(4)，所述半波片(4)位于所述泵浦激光源(1)与所述微观透镜阵列(2)之间，且所述泵浦激光源(1)的出射光垂直入射在所述半波片(4)上；所述半波片(4)分别与所述微观透镜阵列(2)和所述非线性晶体(3)平行。
3.根据权利要求2所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，还包括整形透镜(5)，所述整形透镜(5)位于所述半波片(4)和所述微观透镜阵列(2)之间。
4.根据权利要求2所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，所述微观透镜阵列(2)包括呈m×n阵列排布的多个微观透镜(21),其中m和n的乘积是大于1的正整数。
5.根据权利要求4所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，所述微观透镜(21)为圆形,每个所述微观透镜(21)的直径均相同，每个所述微观透镜(21)的焦距均相同。
6.根据权利要求5所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，每个所述微观透镜(21)包括多个呈阵列排布的微观结构(211)。
7.根据权利要求6所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，所述微观透镜(21)为超构透镜。
8.根据权利要求6所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，所述微观结构(211)为纳米圆柱或纳米方柱。
9.根据权利要求6所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，每个所述微观透镜(21)的相位分布函数满足如下关系式：
Figure FDA0002525553230000011
其中，i是所述微观透镜的编号；
λ是所述泵浦激光源出射光的波长；
fi是第i微观透镜的预设焦距；
Ri,j是所述第i微观透镜上任意一点j到该所述第i微观透镜几何中心点的距离；
j是所述第i微观透镜上任意一点的编号，j的取值是任意自然数；
φi是所述第i微观透镜的初始设定相位；
Figure FDA0002525553230000021
是所述第i微观透镜的相位分布函数。
10.根据权利要求6所述的高维量子纠缠光源光学系统，其特征在于，所述微观透镜(21)的材料是氮化镓晶体、二氧化钛晶体和氮化硅晶体中的一种；
所述非线性晶体(3)为BBO晶体。
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