CN117713940A - 一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种制备及表征位置‑动量纠缠源的方法及系统，本发明涉及量子信息科学领域，系统包括泵浦光产生装置、第一光束调整组件、多模光纤、第一单光子探测器、符合计数器、第二光束调整组件、狭缝、第二单光子探测器以及短焦距透镜。该方法利用非线性晶体产生偏振方向相互垂直的纠缠光子对，该方法的原理可靠，可在常温下实现高效EPR纠缠制备与表征，并且仅需一路泵浦光，系统简单，易于实现，可以有效减少光学元件随机抖动等因素的干扰，提高纠缠质量。
Description
技术领域
本发明属于量子信息科学技术领域，尤其涉及一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法及系统。
背景技术
位置-动量纠缠(即EPR纠缠)是指被爱因斯坦、波多尔斯基和罗森等科学家在1935年提出的一种量子力学现象，其中两个或多个量子系统之间存在着深度关联，即使它们在空间上相隔甚远，仍然可以产生相互依赖的状态。EPR纠缠描述一对在位置上相关并且同时在动量上反相关的粒子，设x和p表示与位置和动量，对于标记为a和b的两个粒子，他们的不确定度满足以下不等式：
则两个粒子符合EPR纠缠，其中为约化布朗克常量。EPR纠缠在量子成像，量子测量和量子通信等领域具有重要意义。因此制备EPR纠缠态并表征其纠缠度就尤为重要。
现有的EPR纠缠制备方法主要基于非线性晶体和原子系统,包括基于偏硼酸钡(BBO)晶体的自发参量下转换(SPDC)效应，基于冷原子系统的自发四波混频(SFWM)效应和自发拉曼散射效应(SRS)，基于热原子系统的SFWM效应和SRS效应。总的来说，EPR纠缠的制备主要基于介质的非线性效应，产生纠缠光子。
基于原子系统的EPR制备方案，装置比较复杂。其中，冷原子系统需要用多路激光进行原子冷却，同时冷却激光的功率，频率，时序等参数都有严格的指标要求；热原子系统需要加热装置，对温度进行精确控制。并且基于原子系统的SFWM效应和SRS效应需要一束泵浦光和一束耦合光，这两束光的波长不一致，且对空间光路校准有较高要求。因此，原子系统的体积大，装置多，操作较复杂。非线性晶体可以在常温下工作，但BBO晶体的SPDC过程产生纠缠光子的效率较低，因此泵浦光功率要求较高，通常需要30mw以上，采集光子需要累积很长时间。
发明内容
针对现有的基于原子系统制备EPR纠缠的方案装置复杂，不易操作，而基于BBO晶体的方案光子效率低，能量消耗较高的问题，本发明提出一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法及系统。
本发明第一方面公开了一种制备及表征位置-动量纠缠源的系统，所述系统包括泵浦光产生装置、第一光束调整组件、多模光纤、第一单光子探测器、符合计数器、第二光束调整组件、狭缝、第二单光子探测器以及短焦距透镜；
泵浦光产生装置产生稳定连续且偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，并发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体，以激发周期极化磷酸氧钛钾晶体中的自发参量下转换效应，进而产生纠缠光子对；
第一光束调整组件将纠缠光子对在路径上分开；其中一路为信号光，另一路为闲散光；
信号光的光子照射成像物体后，经多模光纤的第一光纤耦合头收集信号光子，再用第一单光子探测器进行光子探测；
第二光束调整组件将闲散光分成两路，并调整每一路闲散光的功率；
一路闲散光经过狭缝后进入多模光纤的第二光纤耦合头，并可做空间扫描成像，再用第二单光子探测器进行光子探测；
另一路闲散光被短焦距透镜聚焦后，被多模光纤的第三光纤耦合头收集，并可做空间位置扫描，再用第二单光子探测器进行光子探测；
第一单光子探测器和第二单光子探测器分别连接符合计数器。
所述泵浦光产生装置包括连续光激光器、第一偏振分光棱镜和第一透镜组；
连续光激光器输出固定参数的连续激光，并经第一偏振分光棱镜调制成偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，再被送至第一透镜组进行缩束后发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体。
所述连续光激光器为固体激光器、半导体激光器以及气体激光器中的一种，其产生的连续激光的中心波长为405nm。
所述第一光束调整组件包括滤波片、第二透镜组以及第二偏振分光棱镜；
滤波片将纠缠光子对中剩余的泵浦光滤除后，纠缠光子对通过第二透镜组扩束并被第二偏振分光棱镜在路径上分开。
所述狭缝和所述短焦距透镜设置在第二透镜组的焦平面上。
所述第二光束调整组件包括半波片和第三偏振分光棱镜；
半波片和第三偏振分光棱镜设置在闲散光的传输路径上，通过旋转半波片，调整经第三偏振分光棱镜分路后的每一路闲散光的功率。
所述狭缝和多模光纤的第二光纤耦合头以及多模光纤的第三光纤耦合头设置在平移台上。
本发明第二方面公开了一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法，所述方法由制备及表征位置-动量纠缠源的系统实现，所述方法包括：
S1，产生稳定连续且偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，并发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体，以激发周期极化磷酸氧钛钾晶体中的自发参量下转换效应，进而产生纠缠光子对；其中，纠缠光子对包括信号光和闲散光；
S2，将纠缠光子对在路径上分开，信号光的光子照射成像物体后，经多模光纤的第一光纤耦合头收集信号光子，再用第一单光子探测器进行光子探测；
S3，将闲散光分成两路，并调整每一路闲散光的功率；
S4，一路闲散光经过狭缝后进入多模光纤的第二光纤耦合头，并进行空间扫描成像，再用第二单光子探测器进行光子探测，与信号光子进行符合测量，用于鬼成像；
S5，另一路闲散光用短焦距透镜聚焦后，被多模光纤的第三光纤耦合头收集，并进行空间位置扫描，再用第二单光子探测器进行光子探测，与信号光进行符合测量，用于鬼干涉；
S6，通过鬼成像和鬼干涉数据分别推算出位置不确定度和动量不确定度，验证其是否满足EPR纠缠不等式，进行纠缠表征。
在步骤S1中，首先利用连续光激光器输出固定参数的连续激光，再经第一偏振分光棱镜调制成偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，再被送至第一透镜组进行缩束后发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体。
在步骤S3中，在闲散光的传输路径上设置半波片和第三偏振分光棱镜，通过旋转半波片，调整经第三偏振分光棱镜分路后的每一路闲散光的功率。
综上，本发明提出的方案具备如下技术效果该方法利用非线性晶体产生偏振方向相互垂直的纠缠光子对，该方法的原理可靠，可在常温下实现高效EPR纠缠制备与表征，并且仅需一路泵浦光，系统简单，易于实现，可以有效减少光学元件随机抖动等因素的干扰，提高纠缠质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的一种制备及表征位置-动量纠缠源的系统结构示意图；
图2为根据本发明实施例的基于PPKTP晶体的位置-动量纠缠制备与表征方法流程图；
图3为根据本发明实施例的鬼成像图案；
图4为根据本发明实施例的鬼干涉图案。
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，所描述的实施例只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。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一图像称为第二图像，且类似地，可将第二图像称为第一图像。第一图像和第二图像两者都是图像，但其不是同一图像。
本发明第一方面公开了一种制备及表征位置-动量纠缠源的系统。所述系统包括泵浦光产生装置、第一光束调整组件、多模光纤、第一单光子探测器、符合计数器、第二光束调整组件、狭缝、第二单光子探测器以及短焦距透镜。
泵浦光产生装置产生稳定连续且偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，并发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体，以激发周期极化磷酸氧钛钾晶体中的自发参量下转换效应，进而产生纠缠光子对；第一光束调整组件将纠缠光子对在路径上分开；其中一路为信号光，另一路为闲散光；信号光的光子照射成像物体后，经多模光纤的第一光纤耦合头收集信号光子，再用第一单光子探测器进行光子探测；第二光束调整组件将闲散光分成两路，并调整每一路闲散光的功率；一路闲散光经过狭缝后进入多模光纤的第二光纤耦合头，并可做空间扫描成像，再用第二单光子探测器进行光子探测；另一路闲散光被短焦距透镜聚焦后，被多模光纤的第三光纤耦合头收集，并可做空间位置扫描，再用第二单光子探测器进行光子探测；第一单光子探测器和第二单光子探测器分别连接符合计数器。
专利采用的PPKTP晶体在常温下的效率是BBO的10倍以上，需要的泵浦光功率低，是制备纠缠源更好的选择。本发明同时对光路部分进行了改进，具体请参见图1，利用非线性晶体产生偏振方向相互垂直的纠缠光子对，整体光路是两个4f成像系统。
所述泵浦光产生装置包括连续光激光器、第一偏振分光棱镜和第一透镜组(图1中的透镜1和透镜2)；连续光激光器输出固定参数的连续激光，并经第一偏振分光棱镜调制成偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，再被送至第一透镜组进行缩束后发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体。
所述连续光激光器为固体激光器、半导体激光器以及气体激光器中的一种，其产生的连续激光的中心波长为405nm，光束直径约1mm。透镜1焦距200mm，透镜2焦距150mm。产生的纠缠光子对波长810nm。
所述第一光束调整组件包括滤波片、第二透镜组(图1中的透镜3和透镜4，透镜3焦距150mm，透镜4焦距500mm)以及第二偏振分光棱镜；滤波片将纠缠光子对中剩余的泵浦光滤除后，纠缠光子对通过第二透镜组扩束并被第二偏振分光棱镜在路径上分开。
所述短焦距透镜焦距25.4mm。所述狭缝和所述短焦距透镜设置在第二透镜组的焦平面上。
所述第二光束调整组件包括半波片(图1中的1/2波片)和第三偏振分光棱镜；半波片和第三偏振分光棱镜设置在闲散光的传输路径上，通过旋转半波片，调整经第三偏振分光棱镜分路后的每一路闲散光的功率。
所述狭缝和多模光纤的第二光纤耦合头以及多模光纤的第三光纤耦合头设置在平移台上，以实现空间扫描成像或者空间位置扫描。
本发明第二方面公开了一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法，所述方法由制备及表征位置-动量纠缠源的系统实现，请参见图2，所述方法包括：
S1，产生稳定连续且偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，并发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体，以激发周期极化磷酸氧钛钾晶体中的自发参量下转换效应，进而产生纠缠光子对；其中，纠缠光子对包括信号光和闲散光；
在步骤S1中，首先利用连续光激光器输出固定参数的连续激光，再经第一偏振分光棱镜调制成偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，再被送至第一透镜组进行缩束后发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体。
S2，将纠缠光子对在路径上分开，信号光的光子照射成像物体后，经多模光纤的第一光纤耦合头收集信号光子，再用第一单光子探测器进行光子探测；
S3，将闲散光分成两路，并调整每一路闲散光的功率；
在步骤S3中，在闲散光的传输路径上设置半波片和第三偏振分光棱镜，通过旋转半波片，调整经第三偏振分光棱镜分路后的每一路闲散光的功率。
S4，一路闲散光经过狭缝后进入多模光纤的第二光纤耦合头，并进行空间扫描成像，再用第二单光子探测器进行光子探测，与信号光子进行符合测量，用于鬼成像；
S5，另一路闲散光用短焦距透镜聚焦后，被多模光纤的第三光纤耦合头收集，并进行空间位置扫描，再用第二单光子探测器进行光子探测，与信号光进行符合测量，用于鬼干涉；
S6，通过鬼成像和鬼干涉数据分别推算出位置不确定度和动量不确定度，验证其是否满足EPR纠缠不等式，进行纠缠表征。
下面将利用图1中的系统对本方法的实现过程进行详细说明
泵浦光源处，半导体激光器输出波长405nm，功率5mw，光谱线宽约10MHz的连续激光，光斑直径约1mm，由于本方案采用Ⅱ型非线性晶体，因此用第一偏振分光棱镜将透射光束调整为水平偏振，再经过一对焦距分别为200mm，150mm的透镜将激光缩束，以增加纠缠光子产生速率；
经过PPKTP晶体的SPDC效应产生的纠缠光子对，使用滤波片将剩余的泵浦光滤除，再通过一对焦距150mm,500mm的透镜扩束后，分成两路，一路作为信号光子，照射成像物体后，用多模光纤收集信号光子。可以使用直径1mm的铁丝作为成像物体，放置在透镜4焦平面上，再用第一单光子探测器进行光子探测，光子电信号输入到双通道符合计数器中；
使用半波片和第三偏振分光棱镜将闲散光分成两路，通过旋转半波片，选择进行成像测量或干涉测量。成像路径的闲散光子经过装在平移台上的狭缝之后进入光纤耦合头，狭缝放置在透镜4焦平面上，对平移台进行横向位置扫描，扫描步进50μm，用第二单光子计数器收集闲散光子，与信号光子进行符合测量，每个位置点的时间积累是10s，用于鬼成像，如图3所示，红线为拟合曲线。
闲散路径光子用短焦距透镜(焦距25.4mm)聚焦，用于收集光子，短焦距透镜放置在透镜4的焦平面上，并对光纤耦合头进行横向位置扫描，扫描步进2.5μm，与信号光进行符合测量，每个位置点的时间积累是10s，用于鬼干涉，如图4所示；
将鬼干涉与鬼成像图案，与校准的理论拟合模型做比较，来估算(Δx)2与(Δp)2。在光路中晶体位置处，用反射镜替代，用强光进行经典成像与干涉，分别得到图案。对于鬼成像，用双狭缝与高斯函数进行卷积来拟合数据，并将得到的拟合曲线与金属棒的实际传递函数(Гx＝exp(-x2/ω0),x≤-ωb/2,x≥-ωb/2)进行比较，进而推算出Δx＝0.045mm。其中，ω0为光束束腰半径，ωb为金属棒宽度。对于鬼干涉，首先用双狭缝的傅立叶变换对实验数据进行拟合，将拟合曲线与实际的双缝傅里叶变换做比较，从而得到进而/>验证了纠缠不等式成立。
综上，本发明提出的方案具备如下技术效果该方法利用非线性晶体产生偏振方向相互垂直的纠缠光子对，该方法的原理可靠，可在常温下实现高效EPR纠缠制备与表征，并且仅需一路泵浦光，系统简单，易于实现，可以有效减少光学元件随机抖动等因素的干扰，提高纠缠质量。
请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种制备及表征位置-动量纠缠源的系统，其特征在于，所述系统包括泵浦光产生装置、第一光束调整组件、多模光纤、第一单光子探测器、符合计数器、第二光束调整组件、狭缝、第二单光子探测器以及短焦距透镜；
泵浦光产生装置产生稳定连续且偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，并发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体，以激发周期极化磷酸氧钛钾晶体中的自发参量下转换效应，进而产生纠缠光子对；
第一光束调整组件将纠缠光子对在路径上分开；其中一路为信号光，另一路为闲散光；
信号光的光子照射成像物体后，经多模光纤的第一光纤耦合头收集信号光子，再用第一单光子探测器进行光子探测；
第二光束调整组件将闲散光分成两路，并调整每一路闲散光的功率；
一路闲散光经过狭缝后进入多模光纤的第二光纤耦合头，并可做空间扫描成像，再用第二单光子探测器进行光子探测；
另一路闲散光被短焦距透镜聚焦后，被多模光纤的第三光纤耦合头收集，并可做空间位置扫描，再用第二单光子探测器进行光子探测；
第一单光子探测器和第二单光子探测器分别连接符合计数器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵浦光产生装置包括连续光激光器、第一偏振分光棱镜和第一透镜组；
连续光激光器输出固定参数的连续激光，并经第一偏振分光棱镜调制成偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，再被送至第一透镜组进行缩束后发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述连续光激光器为固体激光器、半导体激光器以及气体激光器中的一种，其产生的连续激光的中心波长为405nm。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一光束调整组件包括滤波片、第二透镜组以及第二偏振分光棱镜；
滤波片将纠缠光子对中剩余的泵浦光滤除后，纠缠光子对通过第二透镜组扩束并被第二偏振分光棱镜在路径上分开。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述狭缝和所述短焦距透镜设置在第二透镜组的焦平面上。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二光束调整组件包括半波片和第三偏振分光棱镜；
半波片和第三偏振分光棱镜设置在闲散光的传输路径上，通过旋转半波片，调整经第三偏振分光棱镜分路后的每一路闲散光的功率。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述狭缝和多模光纤的第二光纤耦合头以及多模光纤的第三光纤耦合头设置在平移台上。
8.一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法，其特征在于，所述方法由权利要求1-7中任一项所述的制备及表征位置-动量纠缠源的系统实现，所述方法包括：
S1，产生稳定连续且偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，并发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体，以激发周期极化磷酸氧钛钾晶体中的自发参量下转换效应，进而产生纠缠光子对；其中，纠缠光子对包括信号光和闲散光；
S2，将纠缠光子对在路径上分开，信号光的光子照射成像物体后，经多模光纤的第一光纤耦合头收集信号光子，再用第一单光子探测器进行光子探测；
S3，将闲散光分成两路，并调整每一路闲散光的功率；
S4，一路闲散光经过狭缝后进入多模光纤的第二光纤耦合头，并进行空间扫描成像，再用第二单光子探测器进行光子探测，与信号光子进行符合测量，用于鬼成像；
S5，另一路闲散光用短焦距透镜聚焦后，被多模光纤的第三光纤耦合头收集，并进行空间位置扫描，再用第二单光子探测器进行光子探测，与信号光进行符合测量，用于鬼干涉；
S6，通过鬼成像和鬼干涉数据分别推算出位置不确定度和动量不确定度，验证其是否满足EPR纠缠不等式，进行纠缠表征。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，首先利用连续光激光器输出固定参数的连续激光，再经第一偏振分光棱镜调制成偏振方向与周期极化磷酸氧钛钾晶体的偏振主轴平行的泵浦光，再被送至第一透镜组进行缩束后发射至周期极化磷酸氧钛钾晶体。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，在闲散光的传输路径上设置半波片和第三偏振分光棱镜，通过旋转半波片，调整经第三偏振分光棱镜分路后的每一路闲散光的功率。
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| CN202311672218.7A CN117713940A (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法及系统 |
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| CN202311672218.7A CN117713940A (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种制备及表征位置-动量纠缠源的方法及系统 |
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-12-07 CN CN202311672218.7A patent/CN117713940A/zh active Pending
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