CN114333522A - 一种单双光子干涉装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种单双光子干涉装置及其控制方法，所述单双光子干涉装置包括沿光路传播方向布置的关联光子源模块、单双光子转换模块、光子干涉模块以及光子探测模块；所述关联光子源模块用于产生关联光子源；所述单双光子转换模块用于单光子干涉与双光子干涉的转换；所述光子干涉模块用于关联光子的干涉；所述光子探测模块用于接收来自所述光子干涉模块的关联光子，并进行符合测量计数。本发明通过设置单双光子转换模块，可以利用同一装置分别进行单双光子干涉实验，结构简单，易于实现，成本低。

Description

一种单双光子干涉装置及其控制方法

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种单双光子干涉装置及其控制方法。

背景技术

量子干涉在量子信息科学中扮演着极为重要的角色，它既是量子操控技术的基础，也是实现量子通信的重要工具。量子干涉技术的进步可以极大地促进量子信息科学的发展。

单光子干涉是验证光子波动性的重要手段。因此，为参量过程产生的非经典光场研发单光子干涉装置具有重要意义。而双光子干涉同样具有广泛的应用，如Hong-Ou-Mandel干涉被用来验证Bell不等式，进行Bell基测量、量子隐形传态和量子逻辑门操作等。

在实现过程中，现有单光子干涉与双光子干涉两光路处于不同系统中，两光路装置结构复杂，需要改进。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种单双光子干涉装置，旨在解决现有单光子干涉与双光子干涉两光路处于不同系统中，两光路装置结构复杂的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种单双光子干涉装置，所述单双光子干涉装置包括沿光路传播方向布置的关联光子源模块、单双光子转换模块、光子干涉模块以及光子探测模块；

所述关联光子源模块用于产生关联光子源；

所述单双光子转换模块用于单光子干涉与双光子干涉的转换；

所述光子干涉模块用于关联光子的干涉；

所述光子探测模块用于接收来自所述光子干涉模块的关联光子，并进行符合测量计数。

本发明实施例还提供了一种单双光子干涉装置的控制方法，应用于本发明实施例所述的单双光子干涉装置，所述单双光子干涉装置的控制方法包括以下步骤：

启动关联光子源模块并调整，使输出相位和光强稳定的水平偏振激光和竖直偏振光；

单双光子转换模块连入水平偏振光和/或竖直偏振光，由半波片选择出射光束，输出的光束进入光子干涉模块；

光子干涉模块的输出光进入光子探测模块进行符合计量计数。

本发明实施例提供的单双光子干涉装置使单光子干涉与双光子干涉实验处于同一系统中。本发明光路简洁方便，关联光子对制备效率高，同时具有体积小，重量轻，易于移动的优点，相比于其它光子干涉装置更容易应用到实际生活中，对于量子干涉领域有重要意义。

附图说明

图1为本发明提供的单双光子干涉装置的结构框图；

图2为本发明的关联光子源模块的结构图；

图3为本发明的单双光子转换模块的结构图；

图4为本发明的光子干涉模块的结构图；

图5为本发明的光子探测模块的结构图；

图6为本发明的实验数据结果图。

附图中：100、关联光子源模块；101、激光器；102、第一四分之一波片；103、第一半波片；104、第一偏振分束器；105、第一透镜；106、非线性晶体；107、第二透镜；108、第二偏振分束器；109、第一滤光片；110、第二滤光片；200、单双光子转换模块；201、第二四分之一波片；202、第二半波片；203、第三偏振分束器；204、第三四分之一波片；205、第三半波片；206、第四半波片；300、光子干涉模块；301、第四偏振分束器；302、第四四分之一波片；303、第一反射镜；304、第五四分之一波片；305、第二反射镜；306、第五半波片；307、第五偏振分束器；308、第三滤光片；309、第四滤光片；400光子探测模块；401、第一光纤准直器；402、第二光纤准直器；403、第一光纤；404、第二光纤；405、第一单光子探测器；406、第二单光子探测器；407、符合计数器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种单双光子干涉装置，所述单双光子干涉装置包括沿光路传播方向布置的关联光子源模块100、单双光子转换模块200、光子干涉模块300以及光子探测模块400；

所述关联光子源模块100用于产生关联光子源；

所述单双光子转换模块200用于单光子干涉与双光子干涉的转换；

所述光子干涉模块300用于关联光子的干涉；

所述光子探测模块400用于接收来自所述光子干涉模块300的关联光子，并进行符合测量计数。

在本实施例中，关联光子源模块100受控产生单光子光源，本实施例以调试双光子干涉实验为例进行说明，光源光束的中心波长为405nm，经过关联光子源模块100的进一步处理后得到波长为405nm和810nm的混合光束。单双光子转换模块200对关联光子源产生的光束进行处理。光子干涉模块300在两束光子进入光子探测模块400之前，对两束光子进行变化，变为时间与偏振都相同的光子，即全同光子。光子探测模块400包括两个接收端，接收来自光子干涉模块300的光。移动光子干涉模块300中的反射镜，经过关联计算可以计算出双光子干涉的图像。需要说明的是，关联计算的过程可以在其它计算机设备上进行，本发明实施例提供的装置主要用于数据的获取，当然，将运算功能结合到本发明实施例提供的装置上属于本发明一种可选具体实现方式。

本发明实施例提供的单双光子干涉装置使单光子干涉与双光子干涉实验处于同一系统中，易于操作。本发明光路简洁方便，关联光子对制备效率高，同时具有体积小，重量轻，易于移动的优点，相比于其它光子干涉装置更容易应用到实际生活中，对于量子干涉领域有重要意义。

如图2所示，在本发明一个实施例中，所述关联光子源模块100包括沿光路传播方向依次设置的激光器101、第一调制单元、第一透镜105、非线性晶体106、第二透镜107、第二偏振分束器108；

所述激光器101用于泵浦光束以提供初始光束；

所述第一调制单元用于保持泵浦光相位稳定的同时调整出射光束的强度，包括沿光路传播方向依次设置的第一四分之一波片102、第一半波片103以及第一偏振分束器104；

所述第一透镜105用于将水平偏振光束汇聚至非线性晶体106的中心位置；

所述第二透镜107用于对非线性晶体106的输出光进行准直输出；

所述第二偏振分束器108远离第二透镜107的一侧设置有第一滤光片109，所述第二偏振分束器108与第一滤光片109相邻的一侧设置有第二滤光片110，且第二滤光片110所在的光路方向与第一滤光片109所在的光路方向相垂直，所述第一滤光片109、第二滤光片110用于将空间光束中非单光子信号滤除以完成对光频率的滤光功能，从而提高信噪比。

在本实施例中，激光器101为一个半导体连续激光出射装置，作为泵浦光束为整个装置提供初始光束。光束的中心波长为405nm，光谱线宽小于0.06nm，输出功率可达66mW。

在本实施例中，非线性晶体106为PPKTP晶体(磷酸钛氧钾晶体)用于产生正交偏振的关联光子对。非线性晶体106利用自发参量下转换过程，使入射至晶体的405nm泵浦光转化成810nm光，非线性晶体106射出的光为405nm和810nm的混合光束。非线性晶体106长度为20mm，非线性晶体106在光传播方向的两个端面镀有405nm和810nm波长的增透膜，在泵浦光强1mw时，关联光子对的产生率为50000/mw/s，具有较高的亮度。

在本实施例中，第二偏振分束器108工作中心波长为810nm，其作用是将垂直入射其端面的混合光束分离成水平偏振透射光束和竖直偏振反射光束。

在本实施例中，第一滤光片109位于第二偏振分束器108透射光路的末端，用于接收并过滤水平偏振透射光束；第二滤光片110位于第二偏振分束器108反射光路的末端，用于接收竖直偏振反射光束。第一滤光片109射出第一自旋单光子束，第二滤光片110射出第二自旋单光子束。第一滤光片109和第二滤光片110均只允许波长为810nm的光通过，能够阻止波长为405nm的光通过，能够保护本装置。第一滤光片109和第二滤光片110为同型号带通滤光片，其工作中心波长为800nm，半高宽40nm，将空间光束中非单光子信号滤除，完成对光频率的滤光功能，用于提高测试系统的信噪比。本发明的关联光子源模块100通过非线性晶体106制备的关联光子对，光路简洁方便，关联光子对制备效率高。

在本发明一个实施例中，所述第一四分之一波片102与第一半波片103组合成波片组，可将泵浦光调制至任何相位；

波片组同第一偏振分束器104配合用于保持泵浦光相位稳定的同时调整出射光束的强度。

在本实施例中，第一四分之一波片102、第一半波片103、第一偏振分束器104的工作波长均为405nm，波片的作用主要用于调整光束的偏振状态，第一四分之一波片102和第一半波片103组合成波片组，可将泵浦光调制至任何相位。波片组同第一偏振分束器104配合作用，可以在保持泵浦光相位稳定的同时调整出射光束的强度。405nm泵浦光经过第一四分之一波片102、第一半波片103和第一偏振分束器104的作用后，输出相位稳定光强为1mw的水平偏振光。

在本发明一个实施例中，所述第一透镜105与第二透镜107的焦距相同，两者组成4f系统，非线性晶体106处于两个透镜焦点重合处。

在本实施例中，第一透镜105工作波长为405nm，焦距为50mm，第二透镜107工作波长为810nm，焦距为50mm。第一透镜105用于将水平偏振光束汇聚至非线性晶体106的中心位置，第二透镜107用于对非线性晶体106的输出光进行准直输出。

在本发明一个实施例中，所述非线性晶体106的两个端面均镀有增透膜，所述增透膜用于增强光束的透过率。

在本实施例中，对于增透膜的制作工艺本发明实施例不作具体限定，此可以参考现有技术实现；设置增透膜的作用是增强透过率，属于可选的优化方案。

如图3所示，在本发明一个实施例中，所述单双光子转换模块200包括第二调制单元，第三调制单元，第三偏振分束器203以及第四半波片206；

所述第二调制单元用于将单光子偏振状态调制成水平偏振光，包括沿光路传播方向依次设置的第二四分之一波片201以及第二半波片202；

所述第三调制单元用于将单光子偏振状态调制成竖直偏振光，包括沿光路传播方向依次设置的第三四分之一波片204以及第三半波片205；

所述第二调制单元与第三调制单元的出射光进入第三偏振分束器203；

所述第四半波片206设置于所述第三偏振分束器203水平偏振光的出射端，用于单光子干涉与双光子干涉的转换。

在本实施例中，第二调制单元，第三调制单元中第二四分之一波片201、第二半波片202、第三四分之一波片204、第三半波片205工作波长为810nm，波片的作用主要用于调整光束的偏振状态。第二调制单元将单光子偏振状态全部调制成水平偏振光，第三调制单元将单光子偏振状态全部调制成竖直偏振光，两束光同时进入第三偏振分束器203混合。

在本实施例中，所述第三偏振分束器203与第四半波片206工作波长均为810nm，旋转第四半波片206使处于长轴位置，对第三偏振分束器203出来的两种偏振状态的单光子，均不改变原有偏振状态；随后两种偏振状态的单光子进入光子干涉模块300中。

如图4所示，在本发明一个实施例中，所述光子干涉模块300包括第四偏振分束器301、第四四分之一波片302、第一反射镜303、第五四分之一波片304、第二反射镜305、第五半波片306、第五偏振分束器307；

所述第四偏振分束器301用于将入射的光束分离为水平偏振透射光束以及竖直偏振反射光束；

第四四分之一波片302与第一反射镜303用于将竖直偏振反射光束转换为水平偏振透射光束并重新回到第四偏振分束器301中；

第五四分之一波片304与第二反射镜305用于将水平偏振透射光束转换为竖直偏振反射光束并重新回到第四偏振分束器301中；

所述第五半波片306设置于所述第四偏振光束器的一个输出端，用于调节水平偏振透射光束与竖直偏振反射光束的偏振状态；

所述第五偏振分束器307接收所述第五半波片306的出射光，用于将同一偏振状态的单光子束分成两束以射入光子探测模块400。

在本实施例中，第四偏振分束器301用于将入射的光束分离为水平偏振透射光束以及竖直偏振反射光束，工作波长为810nm；第四四分之一波片302、第一反射镜303将竖直偏振反射光束转换为水平偏振透射光束，重新回到第四偏振分束器301中，同理，第五四分之一波片304、第二反射镜305将水平偏振透射光束转换为竖直偏振反射光束，重新回到第四偏振分束器301中；调节两反射镜的距离，使两束光同时到达第五半波片306。

在本实施例中，第四四分之一波片302、第一反射镜303、第五四分之一波片304、第二反射镜305工作波长均为810nm，调节第一反射镜303与第四偏振分束器301的距离、第二反射镜305与第四偏振分束器301的距离使其相同。

在本实施例中，调节第五半波片306使水平偏振透射光束与竖直偏振反射光束处于45度角偏振状态；第五偏振分束器307将处于45度角偏振状态的单光子束分成两束，射入光子探测模块400。

在本发明一个实施例中，所述第五偏振分束器307的两个出射端分别设置有第三滤光片308与第四滤光片309，第三滤光片308与第四滤光片309为带通滤光片，用于将空间光束中非单光子信号滤除，完成对光频率的滤光功能，以提高测试系统的信噪比。

在本实施例中，第三滤光片308与第四滤光片309为带通滤光片，其工作中心波长为800nm，半高宽40nm，将空间光束中非单光子信号滤除，完成对光频率的滤光功能，用于提高测试系统的信噪比。

如图5所示，在本发明一个实施例中，所述光子探测模块400包括第一光纤准直器401、第一光纤403、第一单光子探测器405、第二光纤准直器402、第二光纤404、第二单光子探测器406以及符合计数器407；

第一光纤准直器401、第一光纤403以及第一单光子探测器405依次连接，用于接收单光子，利用光电转换原理探测出光子的信息并传递至符合计数器407；

第二光纤准直器402、第二光纤404以及第二单光子探测器406依次连接，用于接收单光子，利用光电转换原理探测出光子的信息并传递至符合计数器407；

所述符合计数器407用于符合计数。

在本实施例中，关联光子源模块100生成的第一自旋单光子束经第一光纤准直器401、第一光纤403、第一单光子探测器405进入到符合计数器407；第二自旋单光子束经第二光纤准直器402、第二光纤404、第二单光子探测器406进入到符合计数器407。

在本实施例中，第一光纤准直器401和第二光纤准直器402为相同型号的FC/PC接头的光纤准直器，工作波长范围在：750nm-1100nm，用于将高斯光束耦合进光纤中。第一光纤403和第二光纤404均为单模光纤，工作波长为810nm，单模光纤只能通过零摸，因此用于传输和过滤光子的作用。同时，第一单光子探测器405和第二单光子探测器406用于接收单光子，利用光电转换原理探测出光子的信息并传递至符合计数器407中。

在本实施例中，符合计数器407用于符合计数。原理是采用双通道输入信号，分别接收来自第一单光子探测器405和第二单光子探测器406的输出信号，每个通道单独计数，通过显示屏主界面设置窗口时间和延时时间等参数，在设定的符合时间窗内探测脉冲到来，根据符合测量结果进行计数，即关联光子对的数量。

本发明实施例还提供了一种单双光子干涉装置的控制方法，应用于如本发明任意一个实施例所述的单双光子干涉装置，所述单双光子干涉装置的控制方法包括以下步骤：

启动关联光子源模块100并调整，使输出相位和光强稳定的水平偏振激光和竖直偏振光；

单双光子转换模块200连入水平偏振光和/或竖直偏振光，由半波片选择出射光束，输出的光束进入光子干涉模块300；

光子干涉模块300的输出光进入光子探测模块400进行符合计量计数。

在本实施例中，上述步骤的具体过程如下：

启动关联光子源模块100并调整，联合转动第一四分之一波片102和第一半波片103的长轴角度，使输出相位和光强稳定的水平偏振激光；调节第一透镜105的位置使输入光聚焦在非线性晶体106上，调节第二透镜107位置使光术准直射入第二偏振分束器108中，第二偏振分束器108将混合光束垂直入射其端面时，分离成水平偏振透射光束和竖直偏振反射光束。

关联光子源输出的水平偏振光连入第二调制单元，竖直偏振光连入第三调制单元，调节波片组使两束光光强调到最大，水平偏振光与竖直偏振光到达第四半波片206的时间相同，调节第四半波片206使处于长轴位置，这时第四半波片206对水平偏振光还是竖直偏振光都不发生偏转；水平偏振光与竖直偏振光均进入光子干涉模块300。

调节第一反射镜303和第二反射镜305位置，使第一反射镜303和第四偏振分束器301距离与第二反射镜305和第四偏振分束器301距离相等；调节第四四分之一波片302与第五四分之一波片304的长轴角度，使输出反射镜反射的单光子达到最大。

调节第五半波片306使单光子束偏振处于45度角进入第五偏振分束器307；调节光纤的位置及角度来收集并耦合进单光子探测器，然后两路光子产生的信号到达符合计数器407进行符合测量计数。

在本发明实施例中，测试双光子干涉实验时得到的数据如表1所示，分析结果如图6所示，实验表明，当两路径光程相等时，光子对将由偏振分束器的同一端口出射，即光子由偏振分束器两端同时出射概率为零，这表明发生了相消干涉。图6的测量结果表明，当反射镜移动到一定位置时，光程差超过相干长度，两光子在时间上变得可区分。在经过偏振分束器后的双光子态中，反射－反射与透射－透射两种状态也可区分。这些都表明我们能够提取到光子的确定路径信息，也都能说明干涉现象的消失。

表1：测试数据

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单双光子干涉装置，其特征在于，所述单双光子干涉装置包括沿光路传播方向布置的关联光子源模块、单双光子转换模块、光子干涉模块以及光子探测模块；

所述关联光子源模块用于产生关联光子源；

所述单双光子转换模块用于单光子干涉与双光子干涉的转换；

所述光子干涉模块用于关联光子的干涉；

所述光子探测模块用于接收来自所述光子干涉模块的关联光子，并进行符合测量计数。

2.根据权利要求1所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述关联光子源模块包括沿光路传播方向依次设置的激光器、第一调制单元、第一透镜、非线性晶体、第二透镜、第二偏振分束器；

所述激光器用于泵浦光束以提供初始光束；

所述第一调制单元用于保持泵浦光相位稳定的同时调整出射光束的强度，包括沿光路传播方向依次设置的第一四分之一波片、第一半波片以及第一偏振分束器；

所述第一透镜用于将水平偏振光束汇聚至非线性晶体的中心位置；

所述第二透镜用于对非线性晶体的输出光进行准直输出；

所述第二偏振分束器远离第二透镜的一侧设置有第一滤光片，所述第二偏振分束器与第一滤光片相邻的一侧设置有第二滤光片，且第二滤光片所在的光路方向与第一滤光片所在的光路方向相垂直，所述第一滤光片、第二滤光片用于将空间光束中非单光子信号滤除以完成对光频率的滤光功能，从而提高信噪比。

3.根据权利要求2所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述第一四分之一波片与第一半波片组合成波片组，可将泵浦光调制至任何相位；

波片组同第一偏振分束器配合用于保持泵浦光相位稳定的同时调整出射光束的强度。

4.根据权利要求2所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述第一透镜与第二透镜的焦距相同，两者组成4f系统，非线性晶体处于两个透镜焦点重合处。

5.根据权利要求2所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述非线性晶体的两个端面均镀有增透膜，所述增透膜用于增强光束的透过率。

6.根据权利要求1所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述单双光子转换模块包括第二调制单元，第三调制单元，第三偏振分束器以及第四半波片；

所述第二调制单元用于将单光子偏振状态调制成水平偏振光，包括沿光路传播方向依次设置的第二四分之一波片以及第二半波片；

所述第三调制单元用于将单光子偏振状态调制成竖直偏振光，包括沿光路传播方向依次设置的第三四分之一波片以及第三半波片；

所述第二调制单元与第三调制单元的出射光进入第三偏振分束器；

所述第四半波片设置于所述第三偏振分束器的出射端，用于单光子干涉与双光子干涉的转换。

7.根据权利要求1所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述光子干涉模块包括第四偏振分束器、第四四分之一波片、第一反射镜、第五四分之一波片、第二反射镜、第五半波片、第五偏振分束器；

所述第四偏振分束器用于将入射的光束分离为水平偏振透射光束以及竖直偏振反射光束；

第四四分之一波片与第一反射镜用于将竖直偏振反射光束转换为水平偏振透射光束并重新回到第四偏振分束器中；

第五四分之一波片与第二反射镜用于将水平偏振透射光束转换为竖直偏振反射光束并重新回到第四偏振分束器中；

所述第五半波片设置于所述第四偏振光束器的一个输出端，用于调节水平偏振透射光束与竖直偏振反射光束的偏振状态；

所述第五偏振分束器接收所述第五半波片的出射光，用于将45度或-45度偏振状态的单光子束分成两束以射入光子探测模块。

8.根据权利要求7所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述第五偏振分束器的两个出射端分别设置有第三滤光片与第四滤光片，第三滤光片与第四滤光片为带通滤光片，用于将空间光束中非单光子信号滤除，完成对光频率的滤光功能，以提高测试系统的信噪比。

9.根据权利要求1所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述光子探测模块包括第一光纤准直器、第一光纤、第一单光子探测器、第二光纤准直器、第二光纤、第二单光子探测器以及符合计数器；

第一光纤准直器、第一光纤以及第一单光子探测器依次连接，用于接收单光子，利用光电转换原理探测出光子的信息并传递至符合计数器；

第二光纤准直器、第二光纤以及第二单光子探测器依次连接，用于接收单光子，利用光电转换原理探测出光子的信息并传递至符合计数器；

所述符合计数器用于符合计数。

10.一种单双光子干涉装置的控制方法，应用于如权利要求1-9任意项所述的单双光子干涉装置，其特征在于，所述单双光子干涉装置的控制方法包括以下步骤：

启动关联光子源模块并调整，使输出相位和光强稳定的水平偏振激光和竖直偏振光；

单双光子转换模块连入水平偏振光和/或竖直偏振光，由半波片选择出射光束，输出的光束进入光子干涉模块；

光子干涉模块的输出光进入光子探测模块进行符合计量计数。

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