CN116885557A - 基于波导结构的真空压缩态光子产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，包括泵浦激光器、激光分束器、信号光产生装置、压缩态产生集成波导装置、泵浦光调控装置及压缩态测量装置，激光分束器将待测激光脉冲拆分为第一初始泵浦光及第二初始泵浦光；压缩态产生集成波导装置基于波导集成技术并根据第二初始泵浦光与信号光、以产生连续可变的待测泵浦光及待测真空压缩态光子；泵浦光调控装置探测待测泵浦光的相位是否在目标相位范围内，若否，则控制压缩态产生集成波导装置对第二初始泵浦光进行延时和相位调节、以获得目标真空压缩态光子。通过将所有光路集成在波导装置上，可以提高量子运算单元的体积，以获得大规模集成电路量子计算能力。
Description
技术领域
本发明涉及量子光学技术领域，具体是涉及一种基于波导结构的真空压缩态光子产生系统。
背景技术
量子信息处理技术的快速发展为量子计算、量子安全通信、计量学和量子传感提供了广阔的应用前景。众多物理框架，如原子核自旋、超导电路、光子学、俘获离子、量子点和中性原子，是构建量子信息处理器的潜在应用平台。其中，光子学脱颖而出，因为其具有可扩展性、室温逻辑运算的潜力，并且易于在离散和连续变量中进行量子信息编码。在连续可变量子光子学中，信息被编码为量化的电磁场的连续幅度和相位值。单模和多模压缩态广泛用于各种应用，包括量子增强干涉测量法，成为发展下一代激光引力波干涉仪、显微镜和量子隐形态。此外，高度纠缠的连续可变量子态，即团簇态，可作为单向量子计算的通用资源。通常，这种高质量的连续可变状态是由单模或双模压缩真空产生的，该真空使用二阶极化张量参数过程，在块状晶体或具有大模场面积（~10至100μm2）的波导中产生。尽管此类使用大体积、分立光学元件的实验已成功演示了中小运算规模的量子处理器，但过大的器件体积和复杂的光路设计限制了进一步的集成规模提升。
因此，针对上述问题，如何结合微型集成光学设计技术，使用光子学广泛使用的纳米波导结构，实现具有集成能力的连续可变量子态产生，是获得大规模集成电路量子计算急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，通过将所有的光路集成在波导装置上，可以提高量子运算单元的体积，以获得大规模集成电路量子计算能力；同时可实现具有集成能力的连续可变真空压缩态光子产生。
第一方面，提供一种基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，包括：
泵浦激光器，用于产生待测激光脉冲；
激光分束器，与所述泵浦激光器连接，用于将所述待测激光脉冲拆分为第一初始泵浦光及第二初始泵浦光；
信号光产生装置，与所述激光分束器连接，用于将所述第一初始泵浦光转换为信号光；
压缩态产生集成波导装置，与所述激光分束器及所述信号光产生转置连接，用于基于波导集成技术并根据所述第二初始泵浦光与信号光、以产生连续可变的待测泵浦光及待测真空压缩态光子；
泵浦光调控装置，与所述压缩态产生集成波导装置电连接，用于探测所述待测泵浦光的相位是否在目标相位范围内，若否，则控制所述压缩态产生集成波导装置对所述第二初始泵浦光进行延时和相位调节、以获得目标真空压缩态光子；以及，
压缩态测量装置，与所述压缩态产生集成波导装置电连接，用于探测所述待测真空压缩态光子是否为目标真空压缩态光子。
在一些实施例中，所述压缩态产生集成波导装置包括波与所述激光分束器连接、与所述压缩态测量装置电连接、且用于对所述第二初始泵浦光进行延时和相位调节的第一光支路，与所述信号光产生装置及所述泵浦光调控装置连接的第二光支路，以及波导基底，所述第一光支路与所述第二光支路集成设于所述波导基底上；
所述第一光支路与所述第二光支路，联合用于对所述第二初始泵浦光与所述信号光进行参量放大、光子耦合作用后，对应输出一路待测真空压缩态光子及一路待测泵浦光。
在一些实施例中，所述第一光支路包括与所述激光分束器连接的第一输入光端结构，与所述第一输入光端结构连接的延迟波导，与所述延迟波导连接的第一金属电极，与所述第一金属电极连接的第二金属电极，与所述第二金属电极连接的分束波导，与所述分束波导的一分束输出端连接的耦合波导，与所述耦合波导的一输出端连接的第一参量放大波导，以及与所述第一参量放大波导连接的第一输出光端结构，所述第一输出光端结构与所述压缩态测量装置电连接。
在一些实施例中，所述第二光支路包括与所述信号光产生装置连接的第二输入光端结构，与所述第二输入光端结构连接、且与所述分束波导的另一分束输出端连接的第二参量放大波导，与所述第二参量放大波导连接的所述耦合波导，以及与所述耦合波导的另一输出端连接的第二输出光端结构，所述第二输出光端结构与所述泵浦光调控装置电连接。
在一些实施例中，所述第一输入光端结构、所述延迟波导、所述第一金属电极、所述第二金属电极、所述分束波导、所述耦合波导、所述第一参量放大波导及所述第一输出光端结构均通过传输波导顺次连接；
所述第二输入光端结构、所述分束波导、所述第二参量放大波导、所述耦合波导及所述第二输出光端结构均通过传输波导顺次连接。
在一些实施例中，所述第一输入光端结构、所述第二输入光端结构、第一输出光端结构及所述第二输出光端结构均设置为锥形结构，且端截面形状为矩形。
在一些实施例中，所述第一参量放大波导与所述第二参量放大波导均设置为周期极化铌酸锂晶体。
在一些实施例中，还包括温度控制器，用于对所述压缩态产生集成波导装置的温度进行调控。
与现有技术相比，本发明通过设置压缩态产生集成波导装置，以用于基于波导集成技术并根据所述第二初始泵浦光与信号光、以产生连续可变的待测泵浦光及待测真空压缩态光子，即通过将所有的光路集成在波导装置上，可以提高量子运算单元的体积，以获得大规模集成电路量子计算能力；同时通过泵浦光调控装置与压缩态产生集成波导装置结合使用，可实现具有集成能力的连续可变真空压缩态光子产生。
附图说明
图1是本发明一种基于波导结构的真空压缩态光子产生系统的结构示意图；
图2是本发明一种压缩态产生集成波导装置的结构示意图。
附图标号：
100、泵浦激光器；200、激光分束器；300、信号光产生装置；400、压缩态产生集成波导装置；401、第一输入光端结构；402、延迟波导；403、第一金属电极；404、第二金属电极；405、分束波导；406、耦合波导；407、第一参量放大波导；408、第一输出光端结构；409、第二输入光端结构；410、第二参量放大波导；411、第二输出光端结构；412、传输波导；413、波导基底；500、泵浦光调控装置；600、压缩态测量装置；700、温度控制器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，包括：
泵浦激光器100，用于产生待测激光脉冲；
激光分束器200，与所述泵浦激光器100连接，用于将所述待测激光脉冲拆分为第一初始泵浦光及第二初始泵浦光；
信号光产生装置300，与所述激光分束器200连接，用于将所述第一初始泵浦光转换为信号光；
压缩态产生集成波导装置400，与所述激光分束器200及所述信号光产生转置连接，用于基于波导集成技术并根据所述第二初始泵浦光与信号光、以产生连续可变的待测泵浦光及待测真空压缩态光子；
泵浦光调控装置500，与所述压缩态产生集成波导装置400电连接，用于探测所述待测泵浦光的相位是否在目标相位范围内，若否，则控制所述压缩态产生集成波导装置400对所述第二初始泵浦光进行延时和相位调节、以获得目标真空压缩态光子；以及，
压缩态测量装置600，与所述压缩态产生集成波导装置400电连接，用于探测所述待测真空压缩态光子是否目标真空压缩态光子。
具体的，本实施例中，泵浦激光器100产生的待测激光脉冲通过激光分束器200后分为两束，一束经过信号光产生装置300产生压缩态光子所需的信号光，另一束则通过光纤直接耦合进入压缩态产生集成波导装置400，信号光产生装置300产生的信号光通过光纤与压缩态产生集成波导装置400连接。压缩态产生集成波导装置400的两个输出端分别与泵浦光调控装置500、压缩态测量装置600连接，泵浦光调控装置500将泵浦光的相位提取后，反馈控制泵浦光的延时和相位，实现对真空压缩态光子的控制。
本发明通过设置压缩态产生集成波导装置400，以用于基于波导集成技术并根据所述第二初始泵浦光与信号光、以产生连续可变的待测泵浦光及待测真空压缩态光子，即通过将所有的光路集成在波导装置上，可以提高量子运算单元的体积，以获得大规模集成电路量子计算能力；同时通过泵浦光调控装置500与压缩态产生集成波导装置400结合使用，可实现具有集成能力的连续可变真空压缩态光子产生。
同时，真空压缩态是光子的一个状态，即幅度-相位空间内，幅度测量准，而相位测量不准。遵循量子力学中的测不准原理，实际使用真空压缩态光子时，测量和产生同等重要。在通讯或计算过程中，编码存在于压缩态振幅和相位的变化中，通过数字化控制幅度和相位信息，近似表示数字系统里的0和1。而泵浦光调控装置500反馈控制泵浦光延时和相位的原因，就是要把压缩态编码的0和1对应起来，即只有在延时准确、相位相关的情况下才能产生符合要求的目标真空压缩态光子。最后通过压缩态测量装置600探测所述待测真空压缩态光子是否为目标真空压缩态光子；压缩态测量装置600包含的是光学差分和光电探测部分，用于将光信号转换为电信号。
针对于泵浦光调控装置500反馈控制泵浦光的延时和相位，涉及到PID算法，延时即泵浦脉冲相对于信号脉冲的间隔，通过调节延时，使信号光和泵浦光重合，然后可以在很小的时间范围内观察到由于相位差引起的光子态幅度变化，通过泵浦光调控装置500的相位控制手段控制泵浦光的相位，调控目标真空压缩态光子产生。
需要说明的是，待测激光脉冲为重复频率在80MHz~1GHz的超短脉冲激光，其脉冲宽度小于1ps，泵浦激光器100可以为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。
激光分束器200可以将待测激光脉冲按照功率分为两束-第一初始泵浦光及第二初始泵浦光，激光分束器200可以是激光分束镜、光纤耦合器、半波片和偏振分束棱镜的组合。
信号光产生装置300能够将第一初始泵浦光的波长转换为所需波长的信号光，信号光和泵浦光波长符合参量匹配条件，可以是固体结构的光参量振荡器或光纤结构的光参量振荡器。
同时参见图2所示，所述压缩态产生集成波导装置400包括与所述激光分束器200连接、与所述压缩态测量装置600电连接、且用于对所述第二初始泵浦光进行延时和相位调节的第一光支路，与所述信号光产生装置300及所述泵浦光调控装置500连接的第二光支路，以及波导基底413，所述第一光支路与所述第二光支路集成设于所述波导基底413上；
所述第一光支路与所述第二光支路，联合用于对所述第二初始泵浦光与所述信号光进行参量放大、光子耦合作用后，对应输出一路待测真空压缩态光子及一路待测泵浦光。
可选的，所述第一光支路包括与所述激光分束器200连接的第一输入光端结构401，与所述第一输入光端结构401连接的延迟波导402，与所述延迟波导402连接的第一金属电极403，与所述第一金属电极403连接的第二金属电极404，与所述第二金属电极404连接的分束波导405，与所述分束波导405的一分束输出端连接的耦合波导406，与所述耦合波导406的一输出端连接的第一参量放大波导407，以及与所述第一参量放大波导407连接的第一输出光端结构408，所述第一输出光端结构408与所述压缩态测量装置600电连接。
可选的，所述第二光支路包括与所述信号光产生装置300连接的第二输入光端结构409，与所述第二输入光端结构409连接、且与所述分束波导405的另一分束输出端连接的第二参量放大波导410，与所述第二参量放大波导410连接的所述耦合波导406，以及与所述耦合波导406的另一输出端连接的第二输出光端结构411，所述第二输出光端结构411与所述泵浦光调控装置500电连接。
可选的，所述第一输入光端结构401、所述延迟波导402、所述第一金属电极403、所述第二金属电极404、所述分束波导405、所述耦合波导406、所述第一参量放大波导407及所述第一输出光端结构408均通过传输波导412顺次连接；
所述第二输入光端结构409、所述分束波导405、所述第二参量放大波导410、所述耦合波导406及所述第二输出光端结构411均通过传输波导412顺次连接。
具体的，本实施例中，波导基底413采用厚度为2μm的SiO2，所有的铌酸锂和周期极化铌酸锂波导结构都制备在波导基底413层上；所有的波导层均采用铌酸锂晶体制备，厚度为800nm。
第二初始泵浦光和信号光分别通过第一输入光端结构401、第二输入光端结构409耦合到波导集成结构中。第二初始泵浦光经过传输波导412后进入延迟波导402中，进行时延调节（产生了相对于信号光的延时），延时波导的折射率通过第一金属电极403调节，在不同的电压下，铌酸锂的折射率发生变化，可以用作时延的精确调节。调节后的第二初始泵浦光经过第二金属电极404控制的波导，实现相位调节。延时和相位调控的第二初始泵浦光由分束波导405分束，分为两路，一路输出待测泵浦光作为探测光用于压缩态光子的探测和反演，另一路则耦合到第二参量放大波导410中，和信号光一起产生压缩态光子。泵浦光和压缩态光子在耦合波导406中实现光子耦合，其中一路经过第一参量放大波导407后通过第一输出光端结构408输出至光纤中，第二输出光端结构411则输出另一路泵浦光作为探测用的本征光源。
传输波导412的截面均为矩形，长度为1000nm，高度为800nm，能够提供较低的传输损耗并保证单模传输。
耦合波导406和分束波导405的结构特征分别为双端输入、单端输出结构和单端输入、双端输出结构，在倏逝波效应的作用下，两个波导对应产生耦合和分束效果，波导间的距离设置为200~400nm用于降低附加损耗。
延迟波导402基于传输波导412和环形波导组成，波导间的距离设置为200~400nm用于降低附加损耗，提高耦合效率，可以改变环形波导的折射率或直径调节延时量。
第一金属电极403在不同的电压下，铌酸锂的折射率发生变化，可以用作时延的精确调节；在不同的电压下调节第二金属电极404，实现相位调节。
可选的，所述第一输入光端结构401、所述第二输入光端结构409、第一输出光端结构408及所述第二输出光端结构411均设置为锥形结构，且端截面形状为矩形。
具体的，本实施例中，所述第一输入光端结构401、所述第二输入光端结构409、第一输出光端结构408及所述第二输出光端结构411的端截面形状为500nm矩形，可以匹配光纤和波导的模场直径，降低光纤至波导，或波导至光纤的耦合损耗。
可选的，所述第一参量放大波导407与所述第二参量放大波导410均设置为周期极化铌酸锂晶体。
具体的，本实施例中，所述第一参量放大波导407与所述第二参量放大波导410均设置为周期极化铌酸锂晶体，其周期结构满足泵浦光和信号光的相位匹配条件。
参量放大是一种信号光可以利用参量非线性和泵浦光放大的现象，在光学上是对光子波长转换处理。
可选的，还包括温度控制器700，用于对所述压缩态产生集成波导装置400的温度进行调控；
具体的，本实施例中，温度控制器700可以实时监控波导结构压缩态产生单元的稳定，获得稳定的相位匹配条件。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。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，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，包括：
泵浦激光器，用于产生待测激光脉冲；
激光分束器，与所述泵浦激光器连接，用于将所述待测激光脉冲拆分为第一初始泵浦光及第二初始泵浦光；
信号光产生装置，与所述激光分束器连接，用于将所述第一初始泵浦光转换为信号光；
压缩态产生集成波导装置，与所述激光分束器及所述信号光产生转置连接，用于基于波导集成技术并根据所述第二初始泵浦光与信号光、以产生连续可变的待测泵浦光及待测真空压缩态光子；
泵浦光调控装置，与所述压缩态产生集成波导装置电连接，用于探测所述待测泵浦光的相位是否在目标相位范围内，若否，则控制所述压缩态产生集成波导装置对所述第二初始泵浦光进行延时和相位调节、以获得目标真空压缩态光子；以及，
压缩态测量装置，与所述压缩态产生集成波导装置电连接，用于探测所述待测真空压缩态光子是否为目标真空压缩态光子。
2.如权利要求1所述的基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，所述压缩态产生集成波导装置包括与所述激光分束器连接、与所述压缩态测量装置电连接、且用于对所述第二初始泵浦光进行延时和相位调节的第一光支路，与所述信号光产生装置及所述泵浦光调控装置连接的第二光支路，以及波导基底，所述第一光支路与所述第二光支路集成设于所述波导基底上；
所述第一光支路与所述第二光支路，联合用于对所述第二初始泵浦光与所述信号光进行参量放大、光子耦合作用后，对应输出一路待测真空压缩态光子及一路待测泵浦光。
3.如权利要求2所述的基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，所述第一光支路包括与所述激光分束器连接的第一输入光端结构，与所述第一输入光端结构连接的延迟波导，与所述延迟波导连接的第一金属电极，与所述第一金属电极连接的第二金属电极，与所述第二金属电极连接的分束波导，与所述分束波导的一分束输出端连接的耦合波导，与所述耦合波导的一输出端连接的第一参量放大波导，以及与所述第一参量放大波导连接的第一输出光端结构，所述第一输出光端结构与所述压缩态测量装置电连接。
4.如权利要求3所述的基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，所述第二光支路包括与所述信号光产生装置连接的第二输入光端结构，与所述第二输入光端结构连接、且与所述分束波导的另一分束输出端连接的第二参量放大波导，与所述第二参量放大波导连接的所述耦合波导，以及与所述耦合波导的另一输出端连接的第二输出光端结构，所述第二输出光端结构与所述泵浦光调控装置电连接。
5.如权利要求4所述的基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，所述第一输入光端结构、所述延迟波导、所述第一金属电极、所述第二金属电极、所述分束波导、所述耦合波导、所述第一参量放大波导及所述第一输出光端结构均通过传输波导顺次连接；
所述第二输入光端结构、所述分束波导、所述第二参量放大波导、所述耦合波导及所述第二输出光端结构均通过传输波导顺次连接。
6.如权利要求4所述的基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，所述第一输入光端结构、所述第二输入光端结构、第一输出光端结构及所述第二输出光端结构均设置为锥形结构，且端截面形状为矩形。
7.如权利要求4所述的基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，所述第一参量放大波导与所述第二参量放大波导均设置为周期极化铌酸锂晶体。
8.如权利要求1所述的基于波导结构的真空压缩态光子产生系统，其特征在于，还包括温度控制器，用于对所述压缩态产生集成波导装置的温度进行调控。
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