CN114285488A - 一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置及方法，属于光量子通信领域。本发明波长变换接口装置包括光量子信号源、泵浦光源、非线性光学和频模块、非线性光学差频模块、光纤分束模块、波分复用模块、光探测模块、信号输出端、时间同步模块、相位匹配控制模块。该装置可以实现两种不同波长光量子信号的高量子保真度的波长转换，解决当前光量子通信系统中的光量子信号传输、储存和探测过程中波长转换的接口问题。
Description
技术领域
本发明涉及光量子通信领域，尤其涉及一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置及方法。
背景技术
基于基础物理学中海森堡测不准原理和量子不可克隆原理，量子通信技术已被证明具有理论上的绝对安全性。当前，量子通信正在由点对点向网络化方向发展。量子通信网络通常包含光纤、自由空间、探测器、中继、信息储存等多种量子通信节点，而在不同的量子节点往往采用不同波长的光量子。例如，光纤节点受到光纤传输损耗波段的限制，适用于1550nm波段的光通信波段(损耗系数0.2dB/km)；可见波段的硅基雪崩二极管单光子探测器比其它波段的探测器具有更高的灵敏度和更低的暗电流；用于量子储存的波段通常处于可见光波段(Eu3+:580nm、Pr3+:606nm、Nd3+:810nm)；而无线光通信常使用850nm激光传输。因此，研究关键波段之间的高效率、高保真度量子态转换成为通信网络互联接口的关键问题之一。
为了实现量子网络通信中不同通信节点之间高效信息传输，需要一种关键波段之间的高效率、高保真度量子态波长变换的接口装置，实现量子通信系统中光量子态在不同节点的双向传输。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述量子通信网络系统的需求，提出一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置及方法，该装置结构合理，通用性强，可使光量子信号在通信波长与储存波长之间相互转换，提高了量子通信系统的应用场景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置，用于实现量子网络通信系统中光量子信号波长的双向转换，其包括光量子信号源、泵浦光源、非线性光学和频模块、非线性光学差频模块、光纤分束模块、波分复用模块、光探测模块、信号输出端、时间同步模块、相位匹配控制模块；
所述光量子信号源用于发射第一波长和第二波长的光量子信号；
所述泵浦光源用于发射第一波长和第二波长的泵浦光；
所述非线性光学和频模块利用第一波长的光量子信号和第二波长泵浦光和频产生第三波长的光量子信号，或利用第二波长的光量子信号和第一波长泵浦光和频得到第三波长的光量子信号；
所述非线性光学差频模块利用第三波长的光量子信号和第一波长泵浦光差频产生第二波长的光量子信号，或通过第三波长的光量子信号和第二波长泵浦光差频产生第一波长的光量子信号；
所述光纤分束模块实现对泵浦光的分束；
所述波分复用模块实现对不同波长的光量子信号和泵浦光的合束传输，或不同波长的光量子信号和泵浦光的分束传输；
所述光探测模块用于探测泵浦光信号是否已经完全分离；
所述信号输出端用于输出第一波长或第二波长的光量子信号；
所述时间同步模块用于使光量子信号与泵浦光同时到达所述非线性模块；
所述相位匹配控制模块用于控制非线性光学和频模块以及非线性光学差频模块的状态，使其满足非线性光学和频或差频的转化条件。
进一步的，所述非线性光学和频模块和所述非线性光学差频模块均使用周期性极化铌酸锂晶体波导实现。
一种用于光量子通信与储存的波长变换方法，其使用如上所述的波长变换接口装置进行波长变换，包括以下步骤：
步骤1.调节时间同步模块的触发状态，使第一波长f1光量子信号光与第二波长f2泵浦光发射时间同步；调节相位匹配控制模块，使非线性光学和频模块和非线性光学差频模块分别处于最佳工作状态；
步骤2.光量子信号源输出第一波长f1光量子信号光，同时泵浦光源输出第二波长f2泵浦光，然后通过波分复用模块进入非线性光学和频模块；在非线性光学和频模块中通过非线性效应，产生第三波长f3光量子信号光，此时第三波长f3光量子信号光的光量子态与第一波长f1光量子信号光的光量子态具有一致性；非线性光学和频模块的输出为剩余第一波长f1光量子信号光、剩余第二波长f2泵浦光和第三波长f3光量子信号光的混合光；
步骤3.通过波分复用模块对步骤2混合光中的剩余第一波长f1光量子信号光和剩余第二波长f2泵浦光进行滤除，然后采用光探测模块对第二波长f2泵浦光进行探测，若仍存在泵浦光则继续通过波分复用模块对泵浦光进行滤除，直至信号中的泵浦光被完全消除，只剩下第三波长f3光量子信号光进入下一步骤；
步骤4.调节时间同步模块的触发状态，使生成的第三波长f3光量子信号光与第一波长f1泵浦光时间同步；
步骤5.将步骤4生成的第三波长f3光量子信号光与泵浦光源输出的第一波长f1泵浦光通过波分复用模块送入非线性光学差频模块；在非线性光学差频模块中通过非线性效应，产生第二波长f2光量子信号光，此时第二波长f2光量子信号光的光量子态与第三波长f3光量子信号光的光量子态具有一致性，故与第一波长f1光量子信号光的光量子态也具有一致性；非线性光学差频模块的输出为剩余第三波长f3光量子信号光、剩余第一波长f1泵浦光和生成的第二波长f2光量子信号光的混合光；
步骤6.通过波分复用模块对步骤5混合光中的剩余第三波长f3光量子信号光和剩余第一波长f1泵浦光进行滤除，然后采用光探测模块对第一波长f1泵浦光进行探测，若仍存在泵浦光则继续通过波分复用模块对泵浦光进行滤除，直至信号中的泵浦光被完全消除，只剩下第二波长f2光量子信号光从信号输出端输出；信号输出端输出的第二波长f2光量子信号光与步骤1中的第一波长f1光量子信号光携带相同的量子信息，从而实现光量子信号光从第一波长到第二波长的转化。
进一步的，第一波长f1和第二波长f2为1550nm、1310nm、1064nm、980nm、880nm、850nm、810nm、790nm、606nm、580nm和532nm中的任两个光量子波长。
本发明的有益效果在于：
1、本发明结构合理、通用性强、可插拔，能够利用级联的周期性极化晶体或波导对光量子信号波长进行变换，可使光量子信号在通信波长与储存波长之间相互转换，提高了量子通信系统的应用场景。
2、本发明装置可以实现光量子信号的波长转换，因而提高了量子通信系统的兼容性和灵活性。
附图说明
图1为光量子通信与储存接口装置的结构框图。
图2为本发明的一个具体实施例，其实现了1550nm波长和810nm波长的光量子信号的相互转换。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更加清楚、详细的描述。
一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置，其结构如图1所示，包括光量子信号源100、泵浦光源101、光纤分束模块102、波分复用模块103、非线性光学和频模块104、波分复用模块105和107、106用于收集剩余泵浦光、探测模块108、波分复用模块109、非线性光学差频模块110、波分复用模块111和113、112用于收集剩余泵浦光、探测模块114、信号输出端115、时间同步模块116、相位匹配控制模块117；光量子信号源200、泵浦光源201、光纤分束模块202、波分复用模块203、非线性光学和频模块204、波分复用模块205和207、206用于收集剩余泵浦光、探测模块208、波分复用模块209、非线性光学差频模块210、波分复用模块211和210、212用于收集剩余泵浦光、探测模块214、信号输出端215、时间同步模块216、相位匹配控制模块217。
本装置的运行流程如下：
1)第一波长f1光量子信号光转换为第二波长f2光量子信号光。
步骤1.调节时间同步模块116的触发状态，使第一波长f1光量子源100与第二波长f2泵浦光101时间同步；调节相位匹配控制模块117，使非线性光学和频模块104和差频模块110分别处于最佳工作状态；
步骤2.光量子信号源100输出第一波长f1的光量子信号，同时泵浦光源101输出第二波长f2泵浦光，然后通过波分复用模块103进入非线性光学和频模块104；在和频模块104中通过非线性效应，产生第三波长f3的光量子信号，此时该波长f3的光量子态与波长f1的信号光量子态具有一致性；
其中，上述第一波长f1、第二波长f2、第三波长f3满足关系式：
步骤3.上述和频模块104输出为剩余第一波长f1信号光、剩余第二波长f2泵浦光和第三波长f3的光量子信号等混合光，经过波分复用模块105和107，对所述剩余信号光f1和泵浦光f2进行滤除；然后采用探测器108对泵浦光进行探测，若存在泵浦光则继续通过波分复用模块对泵浦光进行滤除，直至信号中的泵浦光被完全消除，只剩下第三波长f3的光量子信号进入下一阶段；
步骤4.调节时间同步模块116的触发状态，使和频产生的第三波长f3光量子信号与第一波长f1泵浦光101时间同步；
步骤5.上述第三波长f3的光量子信号和泵浦光源201输出第一波长f1泵浦光通过波分复用模块进入非线性光学差频模块110；在差频模块110中通过非线性效应，产生第二波长f2的光量子信号，此时该波长f2的光量子态与波长f3的光量子态具有一致性，故与波长f1的光量子态也具有一致性；
其中，上述第三波长f3、第一波长f1、第二波长f2满足关系式：
步骤6.上述差频模块110输出为剩余第三波长f3信号光、剩余第一波长f1泵浦光和第二波长f2的光量子生成光等混合光，经过波分复用模块111和113，对所述信号光f3和泵浦光f1进行滤除。然后采用探测模块114对泵浦光f1进行探测，若存在泵浦光则继续通过波分复用模块对泵浦光进行滤除，直至信号中的泵浦光被完全消除，只剩下第二波长f2的光量子信号从信号输出端115输出；
上述输出模块115输出第二波长f2的光量子信号与步骤1中所述的第一波长f1光量子源100具有相同的量子态信息，从而实现光量子从第一波长f1到第二波长f2的转化。
2)第二波长f2光量子信号光转换为第一波长f1光量子信号光。
与运行流程1)所述步骤1.到步骤6.的过程类似，其特征在于：将上述步骤中的第一波长与第二波长互换，即将光量子信号源100、泵浦光源101、光纤分束模块102、波分复用模块103、非线性光学和频模块104、波分复用模块105、106用于收集剩余泵浦光、波分复用模块107、探测模块108、波分复用模块109、非线性光学差频模块110、波分复用模块111、112用于收集剩余泵浦光、波分复用模块113、探测模块114、信号输出端115、时间同步模块116、相位匹配控制模块117等，换成光量子信号源200、泵浦光源201、光纤分束模块202、波分复用模块203、非线性光学和频模块204、波分复用模块205、206用于收集剩余泵浦光、波分复用模块207、探测模块208、波分复用模块209、非线性光学差频模块210、波分复用模块211、212用于收集剩余泵浦光、波分复用模块213、探测模块214、信号输出端215、时间同步模块216、相位匹配控制模块217等，其余流程部分与步骤1到步骤6的过程一致。从而实现光量子态从第二波长f2到第一波长f1的转化；
至此，本装置可以实现波长f1和f2光量子态信号的相互转化。
以下为一个更具体的例子：
如图2所示，一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置。该装置可将1550nm光量子信号光转换为810nm光量子信号光，具体方式如下：
光量子信号源为1550nm单光子源；810nm泵浦光源；信号发生器用于单光源与泵浦光同步；光纤分束器为50:50分光比；波分复用模块WDM1对1550nm光量子信号和810nm泵浦光进行波长合束；非线性光学和频模块为周期性极化铌酸锂PPLN晶体波导，用于将1550nm光量子信号和810nm泵浦光进行和频，输出532nm光量子信号；温度控制仪使PPLN处于最佳工作温度；两个波分复用模块WDM2和WDM3用于分离810nm泵浦光；垃圾桶用于收集剩余信号光和泵浦光；光探测器用于探测810nm泵浦光；波分复用模块WDM4用于对532nm光量子信号和1550nm泵浦光进行波长合束；非线性光学差频模块同样为周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体波导，用于将532nm光量子信号和1550nm泵浦光信号进行差频，输出810nm光量子信号；两个波分复用模块WDM5和WDM6用于分离1550nm泵浦光；光探测器用于探测1550nm泵浦光；最终输出810nm光量子信号。
该装置还可将810nm光量子信号光转换为1550nm光量子信号光，具体方式如下：
光量子信号源为810nm单光子源；1550nm泵浦光源；信号发生器用于单光源与泵浦光同步；光纤分束器为50:50分光比；波分复用模块WDM7对810nm光量子信号和1550nm泵浦光进行波长合束；非线性光学和频模块为周期性极化铌酸锂PPLN晶体波导，用于将810nm光量子信号和1550nm泵浦光进行和频，输出532nm光量子信号；温度控制仪使PPLN处于最佳工作温度；两个波分复用模块WDM8和WDM9用于分离1550nm泵浦光；垃圾桶用于收集剩余信号光和泵浦光；光探测器用于探测1550nm泵浦光；波分复用模块WDM10用于对532nm光量子信号和810nm泵浦光进行波长合束；非线性光学差频模块同样为周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体波导，用于将532nm光量子信号和810nm泵浦光信号进行差频，输出1550nm光量子信号；两个波分复用模块WDM11和WDM12用于分离810nm泵浦光；光探测器用于探测810nm泵浦光；最终输出1550nm光量子信号。
需要说明的是，本发明波长变换接口装置适用于两个量子波长之间的波长转换，包括但不限于1550nm、1310nm、1064nm、980nm、880nm、850nm、810nm、790nm、606nm、580nm和532nm等光量子波长之间的转换。
本发明可以实现两种不同波长光量子信号的高量子保真度的波长转换，解决当前光量子通信系统中的光量子信号传输、储存和探测过程中波长转换的接口问题。
以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于光量子通信与储存的波长变换接口装置，用于实现量子网络通信系统中光量子信号波长的双向转换，其特征在于，包括光量子信号源、泵浦光源、非线性光学和频模块、非线性光学差频模块、光纤分束模块、波分复用模块、光探测模块、信号输出端、时间同步模块、相位匹配控制模块；
所述光量子信号源用于发射第一波长和第二波长的光量子信号；
所述泵浦光源用于发射第一波长和第二波长的泵浦光；
所述非线性光学和频模块利用第一波长的光量子信号和第二波长泵浦光和频产生第三波长的光量子信号，或利用第二波长的光量子信号和第一波长泵浦光和频得到第三波长的光量子信号；
所述非线性光学差频模块利用第三波长的光量子信号和第一波长泵浦光差频产生第二波长的光量子信号，或通过第三波长的光量子信号和第二波长泵浦光差频产生第一波长的光量子信号；
所述光纤分束模块实现对泵浦光的分束；
所述波分复用模块实现对不同波长的光量子信号和泵浦光的合束传输，或不同波长的光量子信号和泵浦光的分束传输；
所述光探测模块用于探测泵浦光信号是否已经完全分离；
所述信号输出端用于输出第一波长或第二波长的光量子信号；
所述时间同步模块用于使光量子信号与泵浦光同时到达所述非线性模块；
所述相位匹配控制模块用于控制非线性光学和频模块以及非线性光学差频模块的状态，使其满足非线性光学和频或差频的转化条件。
2.根据权利要求1所述的用于光量子通信与储存的波长变换接口装置，其特征在于，所述非线性光学和频模块和所述非线性光学差频模块均使用周期性极化铌酸锂晶体波导实现。
3.一种用于光量子通信与储存的波长变换方法，其特征在于，使用如权利要求1或2所述的波长变换接口装置进行波长变换，包括以下步骤：
步骤1. 调节时间同步模块的触发状态，使第一波长f 1光量子信号光与第二波长f 2泵浦光发射时间同步；调节相位匹配控制模块，使非线性光学和频模块和非线性光学差频模块分别处于最佳工作状态；
步骤2. 光量子信号源输出第一波长f 1光量子信号光，同时泵浦光源输出第二波长f 2泵浦光，然后通过波分复用模块进入非线性光学和频模块；在非线性光学和频模块中通过非线性效应，产生第三波长f 3光量子信号光，此时第三波长f 3光量子信号光的光量子态与第一波长f 1光量子信号光的光量子态具有一致性；非线性光学和频模块的输出为剩余第一波长f 1光量子信号光、剩余第二波长f 2 泵浦光和第三波长f 3 光量子信号光的混合光；
步骤3. 通过波分复用模块对步骤2混合光中的剩余第一波长f 1光量子信号光和剩余第二波长f 2 泵浦光进行滤除，然后采用光探测模块对第二波长f 2 泵浦光进行探测，若仍存在泵浦光则继续通过波分复用模块对泵浦光进行滤除，直至信号中的泵浦光被完全消除，只剩下第三波长f 3 光量子信号光进入下一步骤；
步骤4. 调节时间同步模块的触发状态，使生成的第三波长f 3光量子信号光与第一波长f 1泵浦光时间同步；
步骤5. 将步骤4生成的第三波长f 3 光量子信号光与泵浦光源输出的第一波长f 1泵浦光通过波分复用模块送入非线性光学差频模块；在非线性光学差频模块中通过非线性效应，产生第二波长f 2光量子信号光，此时第二波长f 2光量子信号光的光量子态与第三波长f 3光量子信号光的光量子态具有一致性，故与第一波长f 1光量子信号光的光量子态也具有一致性；非线性光学差频模块的输出为剩余第三波长f 3 光量子信号光、剩余第一波长f 1 泵浦光和生成的第二波长f 2 光量子信号光的混合光；
步骤6. 通过波分复用模块对步骤5混合光中的剩余第三波长f 3 光量子信号光和剩余第一波长f 1 泵浦光进行滤除，然后采用光探测模块对第一波长f 1 泵浦光进行探测，若仍存在泵浦光则继续通过波分复用模块对泵浦光进行滤除，直至信号中的泵浦光被完全消除，只剩下第二波长f 2 光量子信号光从信号输出端输出；信号输出端输出的第二波长f 2 光量子信号光与步骤1中的第一波长f 1 光量子信号光携带相同的量子信息，从而实现光量子信号光从第一波长到第二波长的转化。
4.根据权利要求3所述的波长变换方法，其特征在于，第一波长f 1和第二波长f 2 为1550nm、1310nm、1064nm、980nm、880nm、850nm、810nm、790nm、606nm、580nm和532nm中的任两个光量子波长。
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