CN113126385B - 一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置和方法，包括钛宝石激光器，反射镜，光学分束器，半波片，电光调制器，高频信号发生器，滤波器，透镜组，格兰激光棱镜，铯原子池，格兰汤姆森棱镜，光束收集器，平衡零拍探测器，加减法器，频谱分析仪。本发明装置可获得最大纠缠度为‑3.8dB的连续变量高阶轨道角动量纠缠态，并且该装置性能稳定，结构紧凑，可实现商业化生产。铯原子D1线跃迁频率对应于砷化铟的量子点激子发射区域，本发明产生的对应于铯原子D1线跃迁频率的两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态光源可用于基于原子和固态系统的相干界面研究以及量子精密测量等领域。
Description
技术领域
本发明涉及轨道角动量纠缠光源领域，特别是涉及一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置。
背景技术
量子纠缠作为量子信息处理的基本资源，在量子通信网络和量子计算领域有潜在的应用前景。随着量子通信网络的不断扩大和量子计算复杂程度的不断提高，多维度、多组份以及多自由度纠缠态的研究引起越来越多的关注。轨道角动量(Orbital angularmomentum,OAM)作为一种特殊的自由度，其独特的空间结构和高维度特征能够大幅提高量子通信的信道容量和传输速率。利用轨道角动量光束作为不同的载波来复用和传输多个数据流，可以实现大容量、高速率的信息传输。将信息编码在轨道角动量维度进行量子信息交换，可以实现适用于信息匹配的量子接口。
1935年纠缠的概念首次提出之后，科研工作者开始了纠缠态光场的制备的研究。常用的系统是基于晶体二阶非线性效应的光学参量放大器(Optical ParametricAmplifier,OPA)。然而，光学参量振荡在阈值以上难以控制，主要受限于多个高阶横模要同时实现与光学腔的强耦合，因此该系统不容易获得高阶横模纠缠态光场。在碱金属原子中的双Λ型能级结构四波混频过程中，探针光和泵浦光之间角带宽较宽，并且其相对宽松(relaxed)的相位匹配条件和无腔限制的优势使得该系统可以用于实现多维度轨道角动量纠缠光束。同时，以原子为中继的量子信息过程要求纠缠态光场的频率、线宽等与原子跃迁精确匹配，基于非线性晶体产生的纠缠态光场带宽过宽，限制了其在该领域的应用。利用碱金属原子中的四波混频过程(Four-Wave Mixing,FWM)产生的纠缠态光场可以解决这一难题，实现光和原子高效相干相互作用。
在热原子系综中，大多研究集中于铷原子系综中的非简并四波混频过程。 2008年美国P.D.Lett小组利用铷原子的四波混频过程产生了具有局域纠缠 (4dB纠缠度)的空间多模孪生光束。2009年该小组利用类似装置获得了可控延迟的EPR纠缠光束。2016年Pooser等人利用半导体激光器泵浦的四波混频实现了一个扩展性强、易于小型化的EPR纠缠光源。2017年华东师范大学荆杰泰教授小组在铷原子中利用两个级联的四波混频过程将纠缠度提高到了6.8dB。2020年，该小组又在铷原子系综中同时产生了20组包含40种 Laguerre-Gauss(LG)模式的OAM多路复用的两组份纠缠态，展示了热碱金属原子系统丰富的纠缠结构，OAM复用的多组份纠缠为构建连续变量并行量子网络，实现并行量子信息协议开辟了道路。然而，目前为止，利用铯原子系综中非简并四波混频过程产生连续变量高阶轨道角动量纠缠态的报导很少。与铷原子相比，铯原子具有如下优势：基于其基态超精细分裂的铯原子钟是目前时间单位秒的标准，且其D1线对应的波长处于砷化铟量子点激子发射频率区域，有利于原子和固态相干界面的发展。
本发明克服现有技术限制，使用钛宝石激光器作为光源，利用铯原子系综中四波混频过程产生了对应于铯原子D1线最大纠缠度为-3.8dB的连续变量高阶轨道角动量纠缠态。由于该发明装置结构紧凑、系统性能稳定，易于操作，有望用于量子通信网络和量子计算领域的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，所述装置包括：
激光器1、第一反射镜21、第二反射镜22、第三反射镜23、第四反射镜 24、第五反射镜25、第六反射镜26、第七反射镜27、第八反射镜28、光学分束镜3、电光调制器5、标准具组7、螺旋相位板8、第一偏振分光棱镜101、第二偏振分光棱镜102、格兰激光棱镜11、铯原子池12、格兰汤姆森棱镜13，光束收集器14、D形反射镜15、第一平衡放大光电探测器161、第二平衡放大光电探测器162、加/减法器17以及频谱分析仪18；
所述激光器1放置在一个独立、隔热的小型光学平台上，并加盖绝热罩将钛宝石激光器与外界环境隔离，得到的输出光源频率稳定、功率稳定、偏振稳定且噪声低；
所述第一反射镜21将所述激光器1的输出光从小型光学平台传输到实验平台上，实现实验平台与所述激光器1独立放置、互不干扰；
所述第一反射镜21设置在所述激光器1的上方，调节实验光源的传播方向；
所述实验光源经过所述光学分束镜3分为水平方向的透射光束和竖直方向的反射光束，水平方向透射光束光功率较强作为泵浦光，竖直方向反射光束光功率较弱用来产生探针光；
所述电光调制器5设置在所述光学分束镜3下方，调制所述反射光束产生两个±9.2GHz的边带，其中-9.2GHz边带对应探针光频率；
所述标准具组7设置在所述电光调制器5下方，过滤出对应探针光频率的边带作为探针光束；
所述螺旋相位板8置于所述标准具组7下方，将探针光束调制为高阶轨道角动量光束；
所述第一偏振分光棱镜101设置在所述螺旋相位板8下方，将探针光分为两束，灰色细实线为本振探针光束，灰色细虚线为信号探针光束；
所述第二反射镜22设置在所述第一偏振分光棱镜101后方，调整所述信号探针光束方向由水平方向变为竖直方向；
所述第三反射镜23设置在所述第二反射镜22下方，将所述信号探针光束耦合到所述格兰激光棱镜11上；
所述第四反射镜24设置在所述第一偏振分光棱镜101下方，将所述本振探针光束耦合到所述格兰激光棱镜11上；
所述第五反射镜25设置在所述光学分束镜3后方，将所述泵浦光方向由水平方向变为竖直方向；
所述第二偏振分光棱镜102设置在所述第五反射镜25下方，将所述泵浦光分为两束，分别为本振泵浦光束和信号泵浦光束；
所述第六反射镜26设置在所述第二偏振分光棱镜102下方，调整所述信号泵浦光方向由竖直方向变为水平方向；
所述第七反射镜27设置在所述第六反射镜26后方，将所述信号泵浦光耦合到所述格兰激光棱镜11上；
所述第八反射镜28设置在所述第二偏振分光棱镜102后方，将所述本振泵浦光耦合到所述格兰激光棱镜11上；
所述格兰激光棱镜11设置在所述第三反射镜23和所述第四反射镜24的后方，将所述信号探针光束、所述信号泵浦光束、所述本振探针光束和所述本振泵浦光束分别耦合相交于所述铯原子池12内；
所述信号探针光和所述信号泵浦光在所述铯原子池12内发生非简并四波混频效应，信号探针光光功率被放大，得到放大信号探针光，同时在信号泵浦光的对称一侧产生一束与信号探针光频率差18.4GHz的信号共轭光(黑色细虚线)；
所述本振探针光和所述本振泵浦光在所述铯原子池12内发生非简并四波混频效应，本振探针光的光功率被放大，得到放大本振探针光，同时在本振泵浦光的对称一侧产生一束与本振探针光频率差18.4GHz的本振共轭光(黑色细实线)；
所述格兰汤姆森棱镜13放置在所述铯原子池12后方，所述放大信号探针光、信号共轭光、放大本振探针光、本振共轭光透射，所述信号泵浦光和本振泵浦光反射；
所述光束收集器14放置在所述格兰汤姆森棱镜13下方收集所述信号泵浦光和本振泵浦光；
所述格兰汤姆森棱镜13后方放置所述第一平衡放大光电探测器161、第二平衡放大光电探测器162，所述第一平衡放大光电探测器161用来探测所述信号共轭光和所述本振共轭光，所述第二平衡放大光电探测器162用来探测所述放大信号探针光和所述放大本振探针光，两个探测器参数完全相同；
所述D形反射镜15放置所述第二平衡放大光电探测器162下方，改变所述放大信号探针光和所述放大本振探针光的方向；
所述加/减法器17放置在所述第一平衡放大光电探测器161和第二平衡放大光电探测器162上方，对所述第一平衡放大光电探测器161、第二平衡放大光电探测器162的输出信号相加减；
所述频谱分析仪18设置在所述加/减法器17上方，用来探测所述加/减法器17的输出信号。
可选的，所述装置还包括：设置在所述光学分束镜3与所述电光调制器5 之间的第一半波片41，调节反射光束的偏振为垂直偏振。
可选的，所述装置还包括：第二半波片42和第四半波片44，所述第二半波片42位于所述螺旋相位板8和所述第一偏振分光棱镜101之间，所述第四半波片44位于所述第五反射镜25和所述第二偏振光分光棱镜102之间，分别用于调节所述探针光和所述泵浦光的光功率
可选的，所述装置还包括：第三半波片43和第五半波片45，所述第三半波片43位于所述第二反射镜22和第三反射镜23之间，所述第五半波片45 位于所述第六反射镜26和所述第七反射镜27之间，分别用于调节信号探针光为水平偏振，信号泵浦光为垂直偏振。
可选的，所述装置还包括：高频信号发生器6，所述高频信号发生器设置在所述激光器1下方。
可选的，所述装置还包括：设置在螺旋相位板8与第二半波片42之间的第一透镜组91；设置在所述第五反射镜25与所述第四半波片44之间的第二透镜组92。
可选的，所述激光器1为钛宝石激光器。
可选的，所述激光器1加盖绝热罩，用于将激光器1与外界环境隔离。
所述第二半波片42、所述第四半波片44，分别调节所述探针光和所述泵浦光的光功率。
所述第三半波片43、所述第五半波片45，分别调节信号探针光为水平偏振，信号泵浦光为垂直偏振。
所述第三反射镜23，将所述信号探针光束方向改变为与信号泵浦光方向夹角为6mrad；所述第四反射镜24，将所述本振探针光束方向改变为与本振泵浦光方向夹角为6mrad。
所述探针光为水平偏振，所述泵浦光为垂直偏振，所述信号探针光和所述信号泵浦光在同一水平面内，所述本振探针光和所述本振泵浦光在同一水平面内。
本发明中的上述装置通过改变所述螺旋相位板8的型号，可以制备不同阶数的两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种制备两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，包括：钛宝石激光器、反射镜、光学分束器、半波片、电光调制器、高频信号发生器、滤波器、透镜组、格兰激光棱镜、铯原子池、格兰汤姆森棱镜、光束收集器，平衡零拍探测器，加减法器，频谱分析仪。本发明装置可获得最大纠缠度为-3.8dB的连续变量高阶轨道角动量纠缠态，并且该装置性能稳定，结构紧凑，可实现商业化生产。铯原子D1线跃迁频率对应于砷化铟的量子点激子发射区域，本发明产生的对应于铯原子D1线跃迁频率的两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态光源可用于基于原子和固态系统的相干界面研究以及量子精密测量等领域。
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他的附图。
图1为本发明实施例一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置结构示意图；
图2为本发明实施例使用CCD成像系统获得的光束横截面的强度分布图；
图3为本发明实施例获得的两组份连续变量LG0纠缠态示意图；
图4为本发明实施例获得的两组份连续变量LG1纠缠态示意图。
符号说明：
钛宝石激光器1、第一反射镜21、第二反射镜22、第三反射镜23、第四反射镜24、第五反射镜25、第六反射镜26、第七反射镜27、第八反射镜28、光学分束镜3、第一半波片41、、第二半波片42、第三半波片43、第四半波片 44、第五半波片45、电光调制器5、高频信号发生器6、标准具组7、螺旋相位板8、第一透镜组91、第二透镜组92、第一偏振分光棱镜101、第二偏振分光棱镜102、格兰激光棱镜11、铯原子池12、格兰汤姆森棱镜13、光束收集器14、D形反射镜15、第一平衡放大光电探测器161、第二平衡放大光电探测器162、加/减法器17以及频谱分析仪18。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置结构示意图，如图1所示，所述装置包括：
激光器1、第一反射镜21、第二反射镜22、第三反射镜23、第四反射镜 24、第五反射镜25、第六反射镜26、第七反射镜27、第八反射镜28、光学分束镜3、第一半波片41、、第二半波片42、第三半波片43、第四半波片44、第五半波片45，电光调制器5、高频信号发生器6、标准具组7、螺旋相位板 8、第一透镜组91、第二透镜组92、第一偏振分光棱镜101、第二偏振分光棱镜102、格兰激光棱镜11、铯原子池12、格兰汤姆森棱镜13，光束收集器14、 D形反射镜15、第一平衡放大光电探测器161、第二平衡放大光电探测器162、加/减法器17以及频谱分析仪18。
所述激光器1放置在一个独立、隔热的小型光学平台上，并加盖绝热罩，将激光器1与外界环境隔离，得到的输出光源频率稳定、功率稳定、偏振稳定且噪声低。
具体的，本发明中的激光器采用钛宝石激光器。
所述第一反射镜21将所述激光器1的输出光从小型光学平台传输到实验平台上，实现实验平台与所述激光器1独立放置、互不干扰；所述第一反射镜 21设置在所述激光器1的上方，调节实验光源的传播方向。
所述实验光源经过所述光学分束镜3分为水平方向的透射光束和竖直方向的反射光束，水平方向透射光束光功率较强作为泵浦光，竖直方向反射光束光功率较弱用来产生探针光。
所述电光调制器5设置在所述光学分束镜3下方，调制所述反射光束产生两个±9.2GHz的边带，其中-9.2GHz边带对应探针光频率。
所述标准具组7设置在所述电光调制器5下方，过滤出对应探针光频率的边带作为探针光束。
所述螺旋相位板8置于所述标准具组7下方，将探针光束调制为高阶轨道角动量光束。
所述第一偏振分光棱镜101设置在所述螺旋相位板8下方，将探针光分为两束，分别为本振探针光束和信号探针光束，图1中灰色细实线为本振探针光束，灰色细虚线为信号探针光束。
所述第二反射镜22设置在所述第一偏振分光棱镜101后方，调整所述信号探针光束方向由水平方向变为竖直方向。
所述第三反射镜23设置在所述第二反射镜22下方，将所述信号探针光束耦合到所述格兰激光棱镜11上；并将所述信号探针光束方向改变为与信号泵浦光方向夹角为6mrad。
所述第四反射镜24设置在所述第一偏振分光棱镜101下方，将所述本振探针光束耦合到所述格兰激光棱镜11上；并将所述本振探针光束方向改变为与本振泵浦光方向夹角为6mrad。
所述第五反射镜25设置在所述光学分束镜3后方，将所述泵浦光方向由水平方向变为竖直方向。
所述第二偏振分光棱镜102设置在所述第五反射镜25下方，将所述泵浦光分为两束，分别为本振泵浦光束和信号泵浦光束，图1中黑色粗实线为本振泵浦光束，黑色粗虚线为信号泵浦光束。
所述第六反射镜26设置在所述第二偏振分光棱镜102下方，调整所述信号泵浦光方向由竖直方向变为水平方向。
所述探针光为水平偏振，所述泵浦光为垂直偏振，所述信号探针光和所述信号泵浦光在同一水平面内，所述本振探针光和所述本振泵浦光在同一水平面内。
所述第七反射镜27设置在所述第六反射镜26后方，将所述信号泵浦光耦合到所述格兰激光棱镜11上。
所述第八反射镜28设置在所述第二偏振分光棱镜102后方，将所述本振泵浦光耦合到所述格兰激光棱镜11上。
所述格兰激光棱镜11设置在所述第三反射镜23和所述第四反射镜24的后方，将所述信号探针光束、所述信号泵浦光束、所述本振探针光束和所述本振泵浦光束分别耦合相交于所述铯原子池12内。
所述信号探针光和所述信号泵浦光在所述铯原子池12内发生非简并四波混频效应，信号探针光光功率被放大，得到放大信号探针光，同时在信号泵浦光的对称一侧产生一束与信号探针光频率差18.4GHz的信号共轭光，如图1 中黑色细虚线。
所述本振探针光和所述本振泵浦光在所述铯原子池12内发生非简并四波混频效应，本振探针光的光功率被放大，得到放大本振探针光，同时在本振泵浦光的对称一侧产生一束与本振探针光频率差18.4GHz的本振共轭光，如图1 中黑色细实线。
所述格兰汤姆森棱镜13放置在所述铯原子池12后方，所述放大信号探针光、信号共轭光、放大本振探针光、本振共轭光透射，所述信号泵浦光和本振泵浦光反射。
所述光束收集器14放置在所述格兰汤姆森棱镜13下方收集所述信号泵浦光和本振泵浦光。
所述格兰汤姆森棱镜13后方放置所述第一平衡放大光电探测器161、第二平衡放大光电探测器162，所述第一平衡放大光电探测器161用来探测所述信号共轭光和所述本振共轭光，所述第二平衡放大光电探测器162用来探测所述放大信号探针光和所述放大本振探针光，其中两个探测器的参数完全相同。
所述D形反射镜15放置所述第二平衡放大光电探测器162下方，改变所述放大信号探针光和所述放大本振探针光的方向。
所述加/减法器17放置在所述第一平衡放大光电探测器161和第二平衡放大光电探测器162上方，对所述第一平衡放大光电探测器161、第二平衡放大光电探测器162的输出信号相加减。
所述频谱分析仪18设置在所述加/减法器17上方，用来探测所述加/减法器17的输出信号。
所述第一半波片41位于所述光学分束镜3与所述电光调制器5之间，用于调节反射光束的偏振为垂直偏振。
所述第二半波片42位于所述螺旋相位板8和所述第一偏振分光棱镜101 之间，所述第四半波片44位于所述第五反射镜25和所述第二偏振光分光棱镜 102之间，分别用于调节所述探针光和所述泵浦光的光功率。
所述第三半波片43和第五半波片45，所述第三半波片43位于所述第二反射镜22和第三反射镜23之间，所述第五半波片45位于所述第六反射镜26 和所述第七反射镜27之间，分别用于调节信号探针光为水平偏振，信号泵浦光为垂直偏振。
所述高频信号发生器6位于所述激光器1下方。
所述第一透镜组91位于螺旋相位板8与第二半波片42之间，所述第二透镜组92位于所述第五反射镜25与所述第四半波片44之间。
本发明提供了一种制备两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，包括钛宝石激光器、反射镜、光学分束器、半波片、电光调制器、高频信号发生器、滤波器、透镜组、格兰激光棱镜、铯原子池、格兰汤姆森棱镜、光束收集器、平衡放大光电探测器探测器、加减法器以及频谱分析仪。本发明装置可获得最大纠缠度为-3.8dB的连续变量高阶轨道角动量纠缠态，并且该装置性能稳定，结构紧凑，可实现商业化生产。铯原子D1线跃迁频率对应于砷化铟的量子点激子发射区域，本发明产生的对应于铯原子D1线跃迁频率的两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态光源可用于基于原子和固态系统的相干界面研究以及量子精密测量等领域。
本发明中要测量连续变量轨道角动量纠缠就需要搭建一套可以产生与之空间模式完全匹配的本地振荡(LO)光束系统，该系统产生的两束LO频差也为18.4GHz，一束与信号探针光束同频率，另一束与信号共轭光束同频率。
钛宝石激光器频率调至泵浦光频率处，大部分输出光作为泵浦光束。泵浦光束在原子汽室前等分为两束，一束(黑色粗虚线所示)用于产生双模压缩真空态，用作信号光；另一束(黑色粗实线所示)用于产生明亮孪生光束，用作 LO光束。小部分输出光(约10mW)经过电光调制器产生两个光学边带，边带相对于主频频差为±9.2GHz，边带效率为6％，调制后的光束通过标准具组 (透射率为80％)将-9.2GHz光学边带滤出，再由螺旋相位板调制后产生LG-1 光束作为本振探针光束(灰色细实线所示)，信号探针光束为真空注入(灰色细虚线所示)。探针光束在一个长度为25mm、温度为112℃的铯原子汽室中以6mrad与强的泵浦光束相交，泵浦光束功率为450mW，腰斑800μm(强度半径)，探针光束的腰斑大小为泵浦光腰斑大小的一半，以保证探针光在整个原子池内被泵浦光包裹。由相位匹配条件可知，四波混频过程放大的探针光和产生的共轭光位于泵浦光两侧。
如图1所示，上面一套四波混频系统产生一对双模压缩真空态作为信号光，下面一套四波混频系统产生一阶轨道角动量孪生光束作为LO光，信号光中只有与LO光的空间模式完全匹配的真空态才能被探测，因此实验中探测到的两束信号光中，放大探针光束为负一阶轨道角动量真空态，产生共轭光为正一阶轨道角动量真空态。
这种方法有几点优势：首先，进入平衡零拍探测系统BHD的两光束都来自相同的激光器，因此是相对相位稳定的，不需要额外主动稳频；其次，两束 LO本身具有空间多模纠缠特性，但是这对明亮孪生光束在平衡的BHD的限制下对测得的纠缠的影响可以忽略不计；第三，BHD探测的真空模式是与LO 的明亮部分完全重叠的真空模式；最后，所分析的空间模式是自动匹配的，LO 和信号光是在具有相同特性的增益介质中产生的，当分析空间多模压缩态时，这个特征是特别重要的，因为由BHD选择的模式之间的任何不匹配会增加额外的噪声。
通过以下实验对本发明中的上述装置进行验证：
使用两个相位同步扫描的平衡零拍探测器(BHD)以保证在同一时间测到孪生光束的相同正交分量，噪声和噪声差在0.25MHz的分析频率下给出。当相位被扫描时，每变化π/2，两个BHD依次测量两束光的
正交分量，并且相应地信号差和信号和交替地表现为
LO与信号光应满足相对相位稳定。
结果分析如下：
注入探针光束、放大探针光束和产生共轭光束的强度分布如图2所示。图 2从左到右分别为LG-1的注入本振探针光束、经过FWM放大器输出的LG-1 本振探针光束、和产生的LG+1本振共轭光束，上图分别为对应于下图不同轨道角动量光束的拓扑荷数示意图.。
下半图中，左侧为注入探针光LG-1，右侧为放大探针光束LG-1和产生共轭光束LG+1，两者关于耦合光中心对称，表明这对孪生光束具有空间关联特性。将轨道角动量光束与一束高斯光束相干涉来检验轨道角动量光束的拓扑荷数，如上半图给出的干涉图样表明注入光轨道角动量指数为lc＝-1，经过四波混频过程后，放大的探针光和产生的共轭光的轨道角动量指数分别为lc＝-1和 lpr＝+1，满足动量守恒条件lpr+lc＝2lp。
如图3所示为本发明实施例获得的两组份连续变量LG0纠缠态示意图，其中，虚线为归一化的标准量子极限，实线为实验测得的联合正交分量的压缩度约为-4dB，。如图4所示，图4为本发明实施例获得的两组份连续变量LG1 纠缠态示意图，虚线为归一化的标准量子极限，实线为实验测得的联合正交分量的压缩度约为-3.8dB，接近-4dB，与高斯模式获得的纠缠度相当，证明该装置实验获得了两组份连续变量轨道角动量纠缠态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述装置包括：
激光器(1)、第一反射镜(21)、第二反射镜(22)、第三反射镜(23)、第四反射镜(24)、第五反射镜(25)、第六反射镜(26)、第七反射镜(27)、第八反射镜(28)、光学分束镜(3)、电光调制器(5)、标准具组(7)、螺旋相位板(8)、第一偏振分光棱镜(101)、第二偏振分光棱镜(102)、格兰激光棱镜(11)、铯原子池(12)、格兰汤姆森棱镜(13)，光束收集器(14)、D形反射镜(15)、第一平衡放大光电探测器(161)、第二平衡放大光电探测器(162)、加/减法器(17)以及频谱分析仪(18)；
所述激光器(1)放置在一个独立、隔热的小型光学平台上；
所述第一反射镜(21)将所述激光器(1)的输出光从小型光学平台传输到实验平台上，实现实验平台与所述激光器(1)独立放置、互不干扰；所述第一反射镜(21)设置在所述激光器(1)的上方，调节实验光源的传播方向；
所述实验光源经过所述光学分束镜(3)分为水平方向的透射光束和竖直方向的反射光束，水平方向透射光束光功率较强作为泵浦光，竖直方向反射光束光功率较弱用来产生探针光；
所述电光调制器(5)设置在所述光学分束镜(3)下方，调制所述反射光束产生两个9.2GHz的边带，其中-9.2GHz边带对应探针光频率；
所述标准具组(7)设置在所述电光调制器(5)下方，过滤出对应探针光频率的边带作为探针光束；
所述螺旋相位板(8)置于所述标准具组(7)下方，将探针光束调制为高阶轨道角动量光束；
所述第一偏振分光棱镜(101)设置在所述螺旋相位板(8)下方，将探针光分为两束，分别为本振探针光束和信号探针光束；
所述第二反射镜(22)设置在所述第一偏振分光棱镜(101)后方，调整所述信号探针光束方向由水平方向变为竖直方向；
所述第三反射镜(23)设置在所述第二反射镜(22)下方，将所述信号探针光束耦合到所述格兰激光棱镜(11)上；
所述第四反射镜(24)设置在所述第一偏振分光棱镜(101)下方，将所述本振探针光束耦合到所述格兰激光棱镜(11)上；
所述第五反射镜(25)设置在所述光学分束镜(3)后方，将所述泵浦光方向由水平方向变为竖直方向；
所述第二偏振分光棱镜(102)设置在所述第五反射镜(25)下方，将所述泵浦光分为两束，分别为本振泵浦光束和信号泵浦光束；
所述第六反射镜(26)设置在所述第二偏振分光棱镜(102)下方，调整所述信号泵浦光方向由竖直方向变为水平方向；
所述第七反射镜(27)设置在所述第六反射镜(26)后方，将所述信号泵浦光耦合到所述格兰激光棱镜(11)上；
所述第八反射镜(28)设置在所述第二偏振分光棱镜(102)后方，将所述本振泵浦光耦合到所述格兰激光棱镜(11)上；
所述格兰激光棱镜(11)设置在所述第三反射镜(23)和所述第四反射镜(24)的后方，将所述信号探针光束、所述信号泵浦光束、所述本振探针光束和所述本振泵浦光束分别耦合相交于所述铯原子池(12)内；
所述信号探针光和所述信号泵浦光在所述铯原子池(12)内发生非简并四波混频效应，信号探针光光功率被放大，得到放大信号探针光，同时在信号泵浦光的对称一侧产生一束与信号探针光频率差18.4GHz的信号共轭光；
所述本振探针光和所述本振泵浦光在所述铯原子池(12)内发生非简并四波混频效应，本振探针光的光功率被放大，得到放大本振探针光，同时在本振泵浦光的对称一侧产生一束与本振探针光频率差18.4GHz的本振共轭光；
所述格兰汤姆森棱镜(13)放置在所述铯原子池(12)后方，所述放大信号探针光、信号共轭光、放大本振探针光、本振共轭光透射，所述信号泵浦光和本振泵浦光反射；
所述光束收集器(14)放置在所述格兰汤姆森棱镜(13)下方收集所述信号泵浦光和本振泵浦光；
所述格兰汤姆森棱镜(13)后方放置所述第一平衡放大光电探测器(161)、第二平衡放大光电探测器(162)，所述第一平衡放大光电探测器(161)用来探测所述信号共轭光和所述本振共轭光，所述第二平衡放大光电探测器(162)用来探测所述放大信号探针光和所述放大本振探针光；第一平衡放大光电探测器(161)和第二平衡放大光电探测器(162)的参数完全相同；
所述D形反射镜(15)放置所述第二平衡放大光电探测器(162)下方，改变所述放大信号探针光和所述放大本振探针光的方向；
所述加/减法器(17)放置在所述第一平衡放大光电探测器(161)和第二平衡放大光电探测器(162)上方，对所述第一平衡放大光电探测器(161)、第二平衡放大光电探测器(162)的输出信号相加减；
所述频谱分析仪(18)设置在所述加/减法器(17)上方，用来探测所述加/减法器(17)的输出信号。
2.根据权利要求1所述的产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述装置还包括：设置在所述光学分束镜(3)和所述电光调制器(5)之间的第一半波片(41)，所述第一半波片(41)用于调节反射光束的偏振为垂直偏振。
3.根据权利要求1所述的产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述装置还包括：第二半波片(42)和第四半波片(44)，所述第二半波片(42)位于所述螺旋相位板(8)和所述第一偏振分光棱镜(101)之间，所述第四半波片(44)位于所述第五反射镜(25)和所述第二偏振分光棱镜(102)之间，分别用于调节所述探针光和所述泵浦光的光功率。
4.根据权利要求1所述的产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述装置还包括：第三半波片(43)和第五半波片(45)，所述第三半波片(43)位于所述第二反射镜(22)和第三反射镜(23)之间，所述第五半波片(45)位于所述第六反射镜(26)和所述第七反射镜(27)之间，分别用于调节信号探针光为水平偏振，信号泵浦光为垂直偏振。
5.根据权利要求1所述的产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述装置还包括：高频信号发生器(6)，所述高频信号发生器(6)位于所述激光器(1)下方。
6.根据权利要求3所述的产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述装置还包括：设置在螺旋相位板(8)与第二半波片(42)之间的第一透镜组(91)；设置在所述第五反射镜(25)与所述第四半波片(44)之间的第二透镜组(92)。
7.根据权利要求1所述的产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述激光器(1)为钛宝石激光器。
8.根据权利要求1所述的产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，其特征在于，所述激光器(1)加盖绝热罩，用于将激光器(1)与外界环境隔离。
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| 利用原子系综实现轨道角动量连续变量纠缠态;马荣;《中国博士学位论文全文数据库-基础科学辑》;20190430(第4期);参见摘要、引言、第五章 两组份轨道角动量连续变量纠缠态的实现，附图5.3 * |
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