CN112882260A - 一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法 - Google Patents

一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，包括：通过激光器产生一束水平偏振的泵浦光，通过非偏振分束器以等概率分为两路；其中一路通过直角棱镜，以此使光子携带不同的时间片段；两路光抵达第二个非偏振分束器后再次分为两路，分别通过半波片一与半波片二，再通过二向色镜与偏振分束器，进入萨尼亚克干涉仪，不同传播方向的光叠加在偏振分束器上被确定的分为不同的空间模式，最终产生偏振、空间、时间片段三自由度的超纠缠；本发明能够制备出偏振、空间、时间片段三个自由度的超纠缠光子对，可在单个光子上编码更多量子信息，在未来的高维量子通信中将会有重要的应用。

Description

一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法
技术领域
本发明涉及量子通信的技术领域，尤其涉及一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法。
背景技术
量子纠缠是用于量子信息处理的有效资源，在近几十年里，量子纠缠已经在量子通信和量子计算中得到广泛应用，例如量子密码学、密集编码、量子隐形传态以及量子密钥分发等等。
由于光子的易操控和易制备的优点，纠缠光子对被人们广泛使用，而且人们可以利用光子的多个自由度(Degree Of Freedom，DOF)来编码量子纠缠，包括偏振、空间路径、轨道角动量、时间片段和频率等。这些DOF中的某些可以彼此独立地存在，从而可以同时纠缠一个以上的DOF，称为超纠缠。纠缠在多个DOF中的光子对可以携带更多的量子信息，从而使其对于高容量量子通信具有吸引力。1995年，Kwiat等利用自发参量下转换方法首次在实验上实现了两光子偏振纠缠Bell态的成功制备，随后的几年里，三光子以及多光子纠缠态的制备方案被Pan等相继提出。
目前，最容易实现和可控制的纠缠源来自非线性光学晶体中自发的参量下转换过程。在自发参量下转换过程中，来自强泵浦激光器(p)的光子会自发地衰减为两个子光子，通常称为信号(s)光子和空闲(i)光子，可以对其进行调整以表现出各种光子自由度的纠缠。
在目前的研究中，对单个DOF以及两个DOF的纠缠源的研究较为常见，但是这种纠缠源产生的光子携带的信息比高维纠缠源的光子要少。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，能够解决现有纠缠源产生的光子携带的信息少的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，通过激光器产生一束水平偏振的泵浦光，而后通过非偏振分束器将所述泵浦光以等概率分为两路，进而产生了携带两种不同的时间片段的光子；通过所述非偏振分束器将所述光子分为路径a与b；通过半波片分别对所述路径a与b的光子进行偏振处理；偏振处理完的路径a与b的光子通过二向色镜和偏振分束器进入萨尼亚克干涉仪，产生转换光子；通过将所述转换光子叠加在所述偏振分束器上，获得不同空间模式的转换光子，由此产生偏振、空间、时间片段三个自由度的超纠缠光子对。
作为本发明所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的一种优选方案，其中：所述两种不同的时间片段的光子包括，通过50：50的非偏振分束器以相同的概率将所述水平偏振的泵浦光|H>分为两路：
Figure BDA0002981374160000021
其中，一路通过直角棱镜的光子的时间片段为t1，另一路光子的时间片段为t2。
作为本发明所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的一种优选方案，其中：分为所述路径a与b包括，
Figure BDA0002981374160000022
作为本发明所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的一种优选方案，其中：所述偏振处理包括，所述路径a与b的光子通过预设角度为22.5度的半波片1、半波片2获得偏振处理的结果如下：
Figure BDA0002981374160000023
Figure BDA0002981374160000024
Figure BDA0002981374160000025
Figure BDA0002981374160000026
其中，|V>为垂直偏振光。
作为本发明所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的一种优选方案，其中：所述转换光子包括，所述偏振处理完的路径a与b的光子进入所述萨尼亚克干涉仪后顺时针或者逆时针传播，经过周期性极化的磷酸钛钾晶体和一个预设角度为45度的半波片3，生成所述转换光子。
作为本发明所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的一种优选方案，其中：所述半波片3包括，
|H>→|V>，|V>→|H>。
作为本发明所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的一种优选方案，其中：还包括，所述偏振处理完的路径a与b的光子进入所述萨尼亚克干涉仪后变为：
|Ht1>a→|Ht1>2→|Ht1>2|Vt1>2→|Vt1>1|Ht1>1→|Vt1>a2|Ht1>a1，
|Ht1>b→|Ht1>2→|Ht1>2|Vt1>2→|Vt1>1|Ht1>1→|Vt1>b2|Ht1>b1，
|Vt1>a→|Vt1>1→|Ht1>1→|Ht1>2|Vt1>2→|Ht1>a2|Vt1>a1，
|Vt1>b→|Vt1>1→|Ht1>1→|Ht1>2|Vt1>2→|Ht1>b2|Vt1>b1，
|Ht2>a→|Ht2>2→|Ht2>2|Vt2>2→|Vt2>1|Ht2>1→|Vt2>a2|Ht2>a1，
|Ht2>b→|Ht2>2→|Ht2>2|Vt2>2→|Vt2>b2|Ht2>b1，
|Vt2>a→|Vt2>1→|Ht2>1→|Ht2>2|Vt2>2→|Ht2>a2|Vt2>a1，
|Vt2>b→|Vt2>1→|Ht2>1→|Ht2>2|Vt2>2→|Ht2>b2|Vt2>b1。
作为本发明所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的一种优选方案，其中：所述不同空间模式的转换光子包括，
Figure BDA0002981374160000031
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明通过利用一系列线性光学器件与光子在非线性晶体中发生的自发参量下转换过程，能够制备出偏振、空间、时间片段三个自由度的超纠缠光子对，可在单个光子上编码更多量子信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的流程示意图；
图2为本发明第一个实施例所述的一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～图2，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，包括：
S1：通过激光器产生一束水平偏振的泵浦光，而后通过非偏振分束器将泵浦光以等概率分为两路，进而产生了携带两种不同的时间片段的光子。
通过50∶50的非偏振分束器(Non-Polarizing Beam Splitter，NPBS)以相同的概率将水平偏振的泵浦光|H>分为两路：
Figure BDA0002981374160000051
其中一路通过直角棱镜(RAP)，由此产生了携带两种不同的时间片段(time-bin)的光子，一路通过RAP的光子的时间片段(time-bin)为t1，另一路光子的时间片段(time-bin)为t2。
S2：再次通过非偏振分束器将光子分为路径a与b，即不同的空间模式。
参照图2，光子再次通过NPBS后分为不同的路径a与b，即：
Figure BDA0002981374160000052
S3：通过半波片分别对路径a与b的光子进行偏振处理。
通过预设角度为22.5度的半波片一、半波片二(Half Wave Plate，HWP)分别对a、b路径的光子进行偏振处理；预设角度为22.5度的HWP的作用为：
Figure BDA0002981374160000053
Figure BDA0002981374160000054
其中，|V>为垂直偏振光。
路径a与b的光子通过一预设角度为22.5度的HWP后变为以下形式：
Figure BDA0002981374160000055
Figure BDA0002981374160000056
Figure BDA0002981374160000061
Figure BDA0002981374160000062
S4：偏振处理完的路径a与b的光子通过二向色镜和偏振分束器进入萨尼亚克干涉仪，经过自发参量下转换过程产生双光子态，即产生转换光子。
其中需要说明的是，萨尼亚克干涉仪是一种可以旋转的环形干涉仪；它是将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循环一周后会合，其会合后会在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，这个现象被称为萨尼亚克效应。
自发参量下转换过程是指一束泵浦光照射在一块非线性晶体上(如ppKTP晶体)会自发的劈裂成两束光，即信号(s)光和闲置(i)光；原本的光子成为泵浦光子；按照能量守恒定律和动量守恒定律，光子对的总能量与总动量等于泵浦光子的能量与动量；根据对晶体不同的切割方式，会有不同的匹配角，所以s光和i光会沿着特定的方向产生；这样的两个光子可以认为是同时产生，可以利用符合仪进行测量。
DM(Dichroic Mirrors)为二向色镜，可以将下转换后的信号光子和闲置光子从泵浦光束中分离出来。
经过DM后，不同偏振模式的光子由PBS(Polarization Beam Splitter，偏振分束器)进入萨尼亚克干涉仪，顺时针或者逆时针传播，经过周期性极化的磷酸钛钾(ppKTP)晶体和一个预设角度为45度的半波片三；
其中萨尼亚克干涉仪中的半波片三的作用为：
|H>→|V>，|V>→|H>。
具体的，偏振处理完的路径a与b的光子进入萨尼亚克干涉仪后变为：
|Ht1>a→|Ht1>2→|Ht1>2|Vt1>2→|Vt1>1|Ht1>1→|Vt1>a2|Ht1>a1，
|Ht1>b→|Ht1>2→|Ht1>2|Vt1>2→|Vt1>1|Ht1>1→|Vt1>b2|Ht1>b1，
|Vt1>a→|Vt1>1→|Ht1>1→|Ht1>2|Vt1>2→|Ht1>a2|Vt1>a1，
|Vt1>b→|Vt1>1→|Ht1>1→|Ht1>2|Vt1>2→|Ht1>b2|Vt1>b1，
|Ht2>a→|Ht2>2→|Ht2>2|Vt2>2→|Vt2>1|Ht2>1→|Vt2>a2|Ht2>a1，
|Ht2>b→|Ht2>2→|Ht2>2|Vt2>2→|Vt2>b2|Ht2>b1
|Vt2>a→|Vt2>1→|Ht2>1→|Ht2>2|Vt2>2→|Ht2>a2|Vt2>a1，
|Vt2>b→|Vt2>1→|Ht2>1→|Ht2>2|Vt2>2→|Ht2>b2|Vt2>b1。
S5：通过将转换光子叠加在偏振分束器上，获得不同空间模式的转换光子。
将两个传播方向的转换光子叠加在PBS上，进而获得不同空间模式的转换光子：
Figure BDA0002981374160000071
由此产生偏振、空间、时间片段三个自由度的超纠缠光子对。
实施例2
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的纠缠源制备方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
传统的纠缠源制备方法中单个DOF以及两个DOF的纠缠源的研究较为常见，这种纠缠源产生的光子携带的信息比高维纠缠源的光子要少。
为验证本方法相对传统的纠缠源制备方法可使光子可以编码更多信息，本实施例中将采用传统的纠缠源制备方法和本方法分别对单个光子携带的信息容量进行测量对比，结果如下表所示。
表1：不同的纠缠源产生的单个光子携带的信息容量对比表。
Figure BDA0002981374160000072
由上表可见，本方法制备的纠缠源产生的光子携带的信息要多于传统的纠缠源产生的光子携带的信息。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：包括，
通过激光器产生一束水平偏振的泵浦光，而后通过非偏振分束器将所述泵浦光以等概率分为两路，进而产生了携带两种不同的时间片段的光子；
通过所述非偏振分束器将所述光子分为路径a与b；
通过半波片分别对所述路径a与b的光子进行偏振处理；
偏振处理完的路径a与b的光子通过二向色镜和偏振分束器进入萨尼亚克干涉仪，产生转换光子；
通过将所述转换光子叠加在所述偏振分束器上，获得不同空间模式的转换光子，由此产生偏振、空间、时间片段三个自由度的超纠缠光子对。
2.如权利要求1所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：所述两种不同的时间片段的光子包括，
通过50:50的非偏振分束器以相同的概率将所述水平偏振的泵浦光|H>分为两路：
Figure FDA0002981374150000011
其中，一路通过直角棱镜的光子的时间片段为t1，另一路光子的时间片段为t2。
3.如权利要求1或2所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：分为所述路径a与b包括，
Figure FDA0002981374150000012
4.如权利要求3所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：所述偏振处理包括，
所述路径a与b的光子通过预设角度为22.5度的半波片1、半波片2获得偏振处理的结果如下：
Figure FDA0002981374150000013
Figure FDA0002981374150000014
Figure FDA0002981374150000021
Figure FDA0002981374150000022
其中，|V>为垂直偏振光。
5.如权利要求1或4所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：所述转换光子包括，
所述偏振处理完的路径a与b的光子进入所述萨尼亚克干涉仪后顺时针或者逆时针传播，经过周期性极化的磷酸钛钾晶体和一个预设角度为45度的半波片3，生成所述转换光子。
6.如权利要求5所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：所述半波片3包括，
|H>→|V>，|V>→|H>。
7.如权利要求1、5、6任一所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：还包括，
所述偏振处理完的路径a与b的光子进入所述萨尼亚克干涉仪后变为：
|Ht1>a→|Ht1>2→|Ht1>2|Vt1>2→|Vt1>1|Ht1>1→|Vt1>a2|Ht1>a1，
|Ht1>b→|Ht1>2→|Ht1>2|Vt1>2→|Vt1>1|Ht1>1→|Vt1>b2|Ht1>b1，
|Vt1>a→|Vt1>1→|Ht1>1→|Ht1>2|Vt1>2→|Ht1>a2|Vt1>a1，
|Vt1>b→|Vt1>1→|Ht1>1→|Ht1>2|Vt1>2→|Ht1>b2|Vt1>b1，
|Ht2>a→|Ht2>2→|Ht2>2|Vt2>2→|Vt2>1|Ht2>1→|Vt2>a2|Ht2>a1，
|Ht2>b→|Ht2>2→|Ht2>2|Vt2>2→|Vt2>b2|Ht2>b1，
|Vt2>a→|Vt2>1→|Ht2>1→|Ht2>2|Vt2>2→|Ht2>a2|Vt2>a1，
|Vt2>b→|Vt2>1→|Ht2>1→|Ht2>2|Vt2>2→|Ht2>b2|Vt2>b1。
8.如权利要求7所述的偏振、空间、时间片段三自由度超纠缠的制备方法，其特征在于：所述不同空间模式的转换光子包括，
Figure FDA0002981374150000023
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