CN207541825U - 纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，包括顺次放置的激光器、光束准直与聚焦装置、纠缠装置、测量装置和收集装置；激光器作为光源；光束准直与聚焦装置包括第一半波片HWP1、偏振分束器PBS、第二半波片HWP2、聚焦透镜OLO；纠缠装置包括光学垃圾桶Can、两块可实现参量转换的晶体和两块直角棱镜；测量装置包括第一测量装置和第二测量装置，用以对与泵浦光在空间上有小角度分离的纠缠光子对进行测量；通过调节测量装置中的偏振片方向，可以由单光子探测器的计数获得相应光子数与偏振态相关信息，进而进行极化关联曲线的测量。本实用新型结构简单，无需补偿晶体即可获得高对比度纠缠源，且性能稳定。

Description

纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统

技术领域

本实用新型涉及一种，可用作教学实验或者科学研究的量子纠缠源教学装置，尤其涉及一种纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统。

背景技术

在量子信息论中，信息的存储、表示、提取都离不开量子态及其演化过程，而纠缠态是量子态中极其重要的一类。在1935年薛定谔首次提出纠缠的概念，同年A.Einstein、B.Podolsky和N.Rosen也发表论文，提出了纠缠的想法。纠缠可以使得空间上远远相离，中间没有任何传播介质的两个物体之间发生关联，是不同于经典物理最不可思议的特征。如今，它已不拘束于深奥玄妙的理论概念，而是被成功应用于量子隐形传输，量子密码通讯，量子传真等。

目前，制备纠缠光子主流的办法是利用非线性晶体中的自发参量下转换过程获得纠缠态。光子对通常被制备处于偏振、空间、时间纠缠上，而这之中，偏振纠缠因为其容易制备、易于操作等特点最为人们所普遍使用。而纠缠特性的测量，则依据Bell不等式。1964年，理论物理学家J.S.Bell从Einstein的“定域实在论”和“隐变量”假设出发，推导出了一个不等式；该不等式指出定域实在论都符合其推导结果，而量子力学却能打破它，这样就可以根据Bell不等式是否违背来测量量子纠缠特性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统。本实用新型与时俱进的将抽象的新知识、新概念(如偏振纠缠、Bell态测量等理论)落实为实体的物理实验，能够让实验者在操作过程中深入理解量子力学的基本原理和性质，尤其是对纠缠源制备和纠缠特性测量。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：包括顺次放置的激光器、光束准直与聚焦装置、纠缠装置、测量装置和收集装置；激光器、光束准直与聚焦装置、纠缠装置、测量装置和收集装置保持在同一水平高度上，以保证光线正入射到器件中心；

所述激光器作为光源，用于输出未知偏振方向的线偏光；

所述光束准直与聚焦装置包括顺次放置的第一半波片HWP1、偏振分束器PBS、第二半波片HWP2、聚焦透镜OLO；

第一半波片用以将激光器输出光偏振方向旋转至与偏振分束器透射光方向平行，即H偏振方向；

第二半波片用以将所述H偏振光旋转为45°偏振光；

所述聚焦透镜用以将45°平行偏振光聚焦，使出射光光斑变小、功率密度变高和非线性效应增强；

所述纠缠装置包括光学垃圾桶Can、两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体和两块相同的直角棱镜；两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体的光轴互相垂，用于产生纠缠光子对；两块相同的直角棱镜用于分离纠缠光子对，使产生的的参量光向不同方向反射；通过两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体的切割角设计，使参量转换产生的纠缠光子对与泵浦光在空间上有小角度分离；光学垃圾桶Can用以将剩余泵浦光收集；

所述测量装置包括第一测量装置和第二测量装置，用以对与泵浦光在空间上有小角度分离的纠缠光子对进行测量；所述第一测量装置由透镜OL1、第一偏振检测器组成；所述第二测量装置由透镜OL2、第二偏振检测器组成；透镜OL1、透镜OL2均和聚焦透镜OL0共焦，使参量光转成平行光出射到半波片HWP3和半波片HWP4上；半波片HWP3用于配合偏振片P1，半波片HWP4用于配合偏振片P2，以实现偏振态选择，进而进行Bell态测量；

所述收集装置由第一收集装置和第二收集装置组成；第一收集装置由滤波片IF1和空间-光纤耦合头OC1组成，第二收集装置由滤波片IF2和空间-光纤耦合头OC2组成；第一收集装置用于收集第一测量装置后的光，第二收集装置用于测量第二测量装置后的光；第一收集装置和第二收集装置组成通过光纤分别与单光子探测器SPD1和单光子探测器SPD2相连；滤波片IF1和滤片IF2用以滤除来自空间非参量光波长的杂散光，确使只有参量光进入单光子探测器SPD1和单光子探测器SPD2，空间-光纤耦合头OC1和空间-光纤OC2用以将参量光耦合进入光纤，进而送入单光子探测器测量；

通过调节测量装置中的偏振片方向，可以由单光子探测器的计数获得相应光子数与偏振态相关信息，进而进行极化关联曲线的测量，以完成Bell不等式的检验。

进一步的，光束准直与聚焦装置中还设置有四分之一波片，用以补偿o光和e光相位差，获得相应HH±VV态。

进一步的，测量装置中还设置有半波片，用以将H偏振光旋转为V偏振光或者用以将V偏振光旋转为H偏振光，从而获得Bell态HV±VH。

进一步的，所述两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体为两块粘连的薄片的BBO晶体。

进一步的，所述第一偏振检测器包括半波片HMP3和偏振片P1；第二偏振检测器包括半波片HMP4和偏振片P2。

进一步的，光束准直与聚焦装置与纠缠装置中心在同一中心水平轴线上，第一测量装置和第一收集装置位于同一中心水平轴线上，第二测量装置和第二收集装置位于同一中心水平轴线上。

本实用新型的各装置间允许使用反射镜调整光路，需保持各器件中心在同一水平高度上。可配合使用四分之一波片与半波片，实现四种Bell态制备。两块粘连的薄片的BBO晶体的光轴分别位于垂直、水平面内。按照相位匹配条件，只有偏振垂直(水平)的泵浦光才能在BBO晶体内发生参量下转换过程。这样对于经准直聚焦的45°偏振光，则两块粘连的薄片的BBO晶体有相同的概率发生参量下转换过程，由于两块晶体都足够薄，它们发出参量光重叠后，原则上无法区分产生的双光子来自哪块晶体。总之，本实用新型不仅涉及丰富的量子力学知识，更集合了各种实验技巧。通过Bell不等式的检验可以深化使用者对量子力学基本性质的理解，通过光路调节，可以锻炼使用者的动手能力。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：包括顺次放置的激光器1、光束准直与聚焦装置2、纠缠装置3、测量装置4和收集装置5；激光器1、光束准直与聚焦装置2、纠缠装置3、测量装置4和收集装置5保持在同一水平高度上，以保证光线正入射到器件中心；所述激光器1作为光源，用于输出未知偏振方向的线偏光；

所述光束准直与聚焦装置2包括顺次放置的第一半波片HWP1、偏振分束器PBS、第二半波片HWP2、聚焦透镜OLO；第一半波片用以将激光器输出光偏振方向旋转至与偏振分束器透射光方向平行，即H偏振方向；第二半波片用以将所述H偏振光旋转为45°偏振光；所述聚焦透镜用以将45°平行偏振光聚焦，使出射光光斑变小、功率密度变高和非线性效应增强；所述纠缠装置3包括光学垃圾桶Can、两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体和两块相同的直角棱镜；两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体的光轴互相垂，用于产生纠缠光子对；两块相同的直角棱镜用于分离纠缠光子对，使产生的的参量光向不同方向反射；通过两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体的切割角设计，使参量转换产生的纠缠光子对与泵浦光在空间上有小角度分离；光学垃圾桶Can用以将剩余泵浦光收集；所述测量装置4包括第一测量装置4-1和第二测量装置4-2，用以对与泵浦光在空间上有小角度分离的纠缠光子对进行测量；所述第一测量装置4-1由透镜OL1、第一偏振检测器组成；所述第二测量装置4-2由透镜OL2、第二偏振检测器组成；透镜OL1、透镜OL2均和聚焦透镜OL0共焦，使参量光转成平行光出射到半波片HWP3和半波片HWP4上；半波片HWP3用于配合偏振片P1，半波片HWP4用于配合偏振片P2，以实现偏振态选择，进而进行Bell态测量；所述收集装置5由第一收集装置5-1和第二收集装置5-2组成；第一收集装置5-1由滤波片IF1和空间-光纤耦合头OC1组成，第二收集装置5-2由滤波片IF2和空间-光纤耦合头OC2组成；第一收集装置5-1用于收集第一测量装置4-1后的光，第二收集装置5-2用于测量第二测量装置4-2后的光；第一收集装置5-1和第二收集装置5-2组成通过光纤分别与单光子探测器SPD1和单光子探测器SPD2相连；滤波片IF1和滤片IF2用以滤除来自空间非参量光波长的杂散光，确使只有参量光进入单光子探测器SPD1和单光子探测器SPD2，空间-光纤耦合头OC1和空间-光纤OC2用以将参量光耦合进入光纤，进而送入单光子探测器测量；通过调节测量装置4中的偏振片方向，可以由单光子探测器的计数获得相应光子数与偏振态相关信息，进而进行极化关联曲线的测量，以完成Bell不等式的检验。

光束准直与聚焦装置中还设置有四分之一波片，用以补偿o光和e光相位差，获得相应HH±VV态。测量装置中还设置有半波片，用以将H偏振光旋转为V偏振光或者用以将V偏振光旋转为H偏振光，从而获得Bell态HV±VH。所述两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体为两块粘连的薄片的BBO晶体。所述第一偏振检测器包括半波片HMP3和偏振片P1；第二偏振检测器包括半波片HMP4和偏振片P2。光束准直与聚焦装置与纠缠装置中心在同一中心水平轴线上，第一测量装置和第一收集装置位于同一中心水平轴线上，第二测量装置和第二收集装置位于同一中心水平轴线上。

Claims (6)

1.一种纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：包括顺次放置的激光器(1)、光束准直与聚焦装置(2)、纠缠装置(3)、测量装置(4)和收集装置(5)；激光器(1)、光束准直与聚焦装置(2)、纠缠装置(3)、测量装置(4)和收集装置(5)保持在同一水平高度上，以保证光线正入射到器件中心；

所述激光器(1)作为光源，用于输出未知偏振方向的线偏光；

所述光束准直与聚焦装置(2)包括顺次放置的第一半波片HWP1、偏振分束器PBS、第二半波片HWP2、聚焦透镜OLO；

第一半波片用以将激光器输出光偏振方向旋转至与偏振分束器透射光方向平行，即H偏振方向；

第二半波片用以将所述H偏振光旋转为45°偏振光；

所述聚焦透镜用以将45°平行偏振光聚焦，使出射光光斑变小、功率密度变高和非线性效应增强；

所述纠缠装置(3)包括光学垃圾桶Can、两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体和两块相同的直角棱镜；两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体的光轴互相垂，用于产生纠缠光子对；两块相同的直角棱镜用于分离纠缠光子对，使产生的参量光向不同方向反射；通过两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体的切割角设计，使参量转换产生的纠缠光子对与泵浦光在空间上有小角度分离；光学垃圾桶Can用以将剩余泵浦光收集；

所述测量装置(4)包括第一测量装置(4-1)和第二测量装置(4-2)，用以对与泵浦光在空间上有小角度分离的纠缠光子对进行测量；所述第一测量装置(4-1)由透镜OL1、第一偏振检测器组成；所述第二测量装置(4-2)由透镜OL2、第二偏振检测器组成；透镜OL1、透镜OL2均和聚焦透镜OL0共焦，使参量光转成平行光出射到半波片HWP3和半波片HWP4上；半波片HWP3用于配合偏振片P1，半波片HWP4用于配合偏振片P2，以实现偏振态选择，进而进行Bell态测量；

所述收集装置(5)由第一收集装置(5-1)和第二收集装置(5-2)组成；第一收集装置(5-1)由滤波片IF1和空间-光纤耦合头OC1组成，第二收集装置(5-2)由滤波片IF2和空间-光纤耦合头OC2组成；第一收集装置(5-1)用于收集第一测量装置(4-1)后的光，第二收集装置(5-2)用于测量第二测量装置(4-2)后的光；第一收集装置(5-1)和第二收集装置(5-2)组成通过光纤分别与单光子探测器SPD1和单光子探测器SPD2相连；滤波片IF1和滤片IF2用以滤除来自空间非参量光波长的杂散光，确使只有参量光进入单光子探测器SPD1和单光子探测器SPD2，空间-光纤耦合头OC1和空间-光纤OC2用以将参量光耦合进入光纤，进而送入单光子探测器测量；

通过调节测量装置(4)中的偏振片方向，可以由单光子探测器的计数获得相应光子数与偏振态相关信息，进而进行极化关联曲线的测量，以完成Bell不等式的检验。

2.根据权利要求1所述的纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：光束准直与聚焦装置中还设置有四分之一波片，用以补偿o光和e光相位差，获得相应HH±VV态。

3.根据权利要求1或2所述的纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：测量装置中还设置有半波片，用以将H偏振光旋转为V偏振光或者用以将V偏振光旋转为H偏振光，从而获得Bell态HV±VH。

4.根据权利要求1或2所述的纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：所述两块粘连的薄片的可实现参量转换的晶体为两块粘连的薄片的BBO晶体。

5.根据权利要求1或2所述的纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：所述第一偏振检测器包括半波片HMP3和偏振片P1；第二偏振检测器包括半波片HMP4和偏振片P2。

6.根据权利要求1或2所述的纠缠源制备和纠缠特性测量的纠缠源教学系统，其特征在于：光束准直与聚焦装置与纠缠装置中心在同一中心水平轴线上，第一测量装置和第一收集装置位于同一中心水平轴线上，第二测量装置和第二收集装置位于同一中心水平轴线上。