ES2615455T3 - Generador de pares de fotones usando fluorescencia paramétrica - Google Patents

Generador de pares de fotones usando fluorescencia paramétrica Download PDF

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ES2615455T3 ES04744004.5T ES04744004T ES2615455T3 ES 2615455 T3 ES2615455 T3 ES 2615455T3 ES 04744004 T ES04744004 T ES 04744004T ES 2615455 T3 ES2615455 T3 ES 2615455T3
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Abstract

Generador de alta eficiencia para generar pares de fotones, que puede usarse en un procedimiento cuántico que emplea procedimientos de fluorescencia paramétrica, que comprende: - un cristal de tipo uno (3) que recibe un haz de bomba láser (12) en la entrada y que genera pares de fotones (f) de polarización similar (e, o) en la salida (3b): - un primer y un segundo rotador de polarización (20a, 20b), que respectivamente reciben los fotones en cada par generado, dichos rotadores de polarización realizando cada uno una rotación de 45°; - un divisor de haz (17), que refleja una polarización en sus entradas (17a, 17b), y transmite la otra polarización; - medios de transporte (14a, 14b) para dirigir los fotones desde el primer y segundo rotador de polarización (20a, 20b) a las entradas (17a, 17b) de dicho divisor de haz (17); comprendiendo el estado de los fotones en las salidas (17c, 17d) de dicho divisor de haz (17) un estado de Bell Φ (-) que puede usarse, por ejemplo, en un procedimiento de criptografía cuántica.

Description

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DESCRIPCION
Generador de pares de fotones usando fluorescencia parametrica Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un generador de alta eficiencia para generar pares de fotones, que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica. La presente invencion tambien se refiere a un metodo de generacion de pares de fotones de alta eficiencia, que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica.
Tecnica anterior
Tal como se sabe, una aplicacion de procedimientos de fluorescencia parametrica es la criptograffa cuantica, que emplea principios de ffsica cuantica para generar, transmitir y decodificar informacion a un nivel de seguridad extremadamente alto.
Tales procedimientos comprenden un numero de etapas, que incluyen:
a) Crear un par de fotones entrelazados. Esto se realiza excitando un cristal no lineal birrefringente (por ejemplo beta-borato de bario) usando un haz laser, en particular un haz laser pulsado, para crear un par de fotones de la misma frecuencia y polarizacion opuesta (vertical/horizontal).
b) Transmision cuantica aproximada. Los pares de fotones generados se transmiten mediante respectivos canales de transmision privados (por ejemplo fibras opticas o vado) a un primer y segundo usuario.
c) Adquisicion aleatoria. Cada usuario compara el unico foton recibido con una primera base de referencia (base A) y una segunda base de referencia (base B). Cada base de referencia comprende dos ejes perpendiculares, y las dos bases estan separadas de manera angular mediante un angulo predeterminado (por ejemplo 45°). La primera base (base A) y la segunda base (base B) se seleccionan aleatoriamente e independientemente por los dos usuarios. Como la polarizacion del foton adquirido puede ser paralela a un primer y segundo eje de la base, la comparacion da un resultado binario (0, 1).
d) Discusion publica. Por un canal publico, los dos usuarios comparan el tipo de base (base A, base B) usado para realizar la comparacion, pero sin intercambiar los resultados de la comparacion entre el foton y la base. Cuando las bases usadas para la correspondencia de la comparacion, los resultados de la comparacion por los dos usuarios son comparables. Los resultados de la comparacion realizada por los dos usuarios en relacion con el mismo par de fotones pero con bases de diferencia (bases A, B y B, A respectivamente) se descartan para reducir el conjunto de datos y formar un conjunto de datos “cribados” relacionados solamente con los resultados de la comparacion realizada del mismo par de fotones con la misma base. Debido al principio cuantico mencionado anteriormente (cada par de fotones tiene polarizaciones opuestas), cada resultado (0, 1) adquirido por un primer usuario debe corresponder a un resultado (1, 0) opuesto adquirido por el segundo usuario con la misma base. Por consiguiente, los datos cribados adquiridos por el primer usuario deben ser opuestos (en el sentido binario) a los datos adquiridos por el segundo usuario.
e) Prueba de espionaje. Los dos usuarios intercambian subconjuntos de datos cribados por el canal publico para garantizar que los datos estan realmente correlacionados tal como se describio anteriormente. Si es asf, se reconoce la seguridad absoluta de los datos recibidos. Si no es asf, se indica el posible espionaje de la transmision de datos por el canal privado. De hecho, cualquier intento de medir y/o copiar datos transmitidos por el canal privado afecta a la relacion de polarizacion (vertical/horizontal) del par, proporcionando por tanto a los usuarios con una clara alerta de espionaje. Debido a la imposibilidad de clonar o extraer informacion de estado cuantico, la criptograffa cuantica proporciona la generacion de una clave de usuario de seguridad practicamente maxima.
f) Correccion de errores. Ambos usuarios evaluan la seguridad de sus claves de codigo realizando una comprobacion de paridad de ciertos subconjuntos de datos cribados por el canal publico. Por motivos de seguridad, esto se realiza usando conjuntos muy limitados de datos.
En relacion con la generacion de pares de fotones entrelazados, esto se realiza habitualmente mediante un primer laser de potencia (por ejemplo de 10 W) que excita un segundo laser de potencia inferior (por ejemplo de 2,2 W), que a su vez genera un haz laser (bomba) que golpea el cristal no lineal birrefringente.
Un cristal birrefringente de tipo dos, sin embargo, no es particularmente eficaz en la generacion de pares de fotones entrelazados, de modo que los generadores conocidos no son adecuados para la mayona de aplicaciones practicas.
La patente US 6.430.345 da a conocer un metodo y un dispositivo para generar una eleccion de fotones individuales o pares de fotones en un canal optico. La generacion de esta eleccion implica generar un estado de dos fotones que corresponde a un par de fotones y separar espacialmente el par de fotones mientras se conserva la correlacion cuantico-mecanica, en el caso de que los fotones se emitan de manera colineal. Un foton esta acoplado en un canal optico cada uno, conteniendo el un canal un interferometro con diferencia de longitud de camino optico variable, e
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incluyendo el otro canal una seccion de retraso optico que tiene un camino optico. Los canales se unen de nuevo espacialmente a traves de un divisor de haz, y sucede un ajuste de la diferencia de longitud de camino optico y de la longitud optica de modo que la probabilidad K para coincidencias entre las salidas del divisor de haz es una eleccion de aproximadamente K=0 o aproximadamente K=1, o aproximadamente un valor intermedio predeterminado, correspondiendo K=0 a un par de fotones en uno de los canales de salida del divisor de haz, y correspondiendo K=1 a dos fotones individuales en ambos canales de salida del divisor de haz. Con esta generacion de eleccion, puede implementarse un filtro o puerta de separacion optica para una eleccion de estados de un foton o dos fotones, que puede usarse en criptograffa cuantica y como un elemento basico de una maquina de computacion cuantico-optica.
Divulgacion de la invencion
Es un objeto de la presente invencion proporcionar un dispositivo de alta eficiencia para generar pares de fotones, que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica.
Segun la presente invencion, se proporciona un generador de alta eficiencia para generar pares de fotones, que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica, que comprende: un cristal de tipo uno que recibe un haz de bomba laser en la entrada y que genera pares de fotones de polarizacion similar en la salida; un primer y un segundo rotador de polarizacion, que respectivamente recibe los fotones en cada par generado, realizando dichos rotadores de polarizacion cada uno una rotacion de 45°; un divisor de haz, que refleja una polarizacion en sus entradas, y transmite la otra polarizacion; medios de transporte para dirigir los fotones desde el primer y segundo rotador de polarizacion a las entradas de dicho divisor de haz; comprendiendo el estado de los fotones en las salidas de dicho divisor de haz que comprende un estado de Bell que puede usarse, por ejemplo, en un procedimiento de criptograffa cuantica.
La presente invencion tambien se refiere a un metodo de generacion de pares de fotones de alta eficiencia, que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica, que comprende las etapas de: dirigir un haz de bomba laser sobre un cristal de tipo uno para generar pares de fotones de polarizacion similar en la salida del cristal; dirigir los fotones en cada par generado respectivamente a un primer y segundo rotador de polarizacion, realizando cada uno una rotacion de 45°; y dirigir los fotones desde el primer y segundo rotador de polarizacion a las entradas de un divisor de haz, que refleja una polarizacion y transmite la otra polarizacion; el estado de los fotones en las salidas de dicho divisor de haz que comprende un estado de Bell ® (-) que puede usarse, por ejemplo, en un procedimiento de criptograffa cuantica.
Breve descripcion del dibujo
La invencion se describira ahora con referencia al dibujo adjunto con referencia al dibujo adjunto que muestra, esquematicamente, un generador, segun las ensenanzas de la presente invencion, para generar pares de fotones, y que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica.
Mejor modo de llevar a cabo la invencion
El numero 1 en el dibujo adjunto indica de manera global un generador de alta eficiencia para generar pares de fotones, que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica, en particular un procedimiento de criptograffa cuantica.
El generador 1 comprende un cristal de tipo uno 3, en particular un cristal de yodato de litio en forma de paralelepfpedo de espesor constante L.
El cristal 3 esta conectado en un primer lado 3a a una conocida fuente de haz laser 5 para generar un haz laser de excitacion (haz de bomba) 12 que golpea el cristal 3 para producir pares de fotones f que se emiten desde un segundo lado 3b de cristal 3.
Los pares de fotones generados en la salida tienen la misma polarizacion (es decir ambos fotones tienen polarizacion vertical (e) u horizontal (o).
El haz laser 12 viaja en una direccion de propagacion D recta que se cruza con el cristal 3.
Tal como se conoce, los fotones generados por la interaccion entre el haz de bomba laser 12 y el cristal de tipo uno 3 viajan a lo largo de caminos situados dentro de una zona conica simetrica con respecto a la direccion de propagacion D. Mas espedficamente, la interseccion de la zona de propagacion conica y un plano perpendicular a la direccion D define un anillo que representa la zona en el espacio en el que estan situados de manera mas probable los pares de fotones generados estan situados.
El generador 1 comprende un primer y un segundo elemento reflectante 14a, 14b (de manera conveniente definido por espejos de metal plano) situados en lados opuestos de, y separados de manera equivalente con respecto a la direccion D.
El generador 1 tambien comprende un divisor de haz 17 situado a lo largo de la direccion de propagacion D, sobre el
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lado opuesto de los elementos reflectantes 14a, 14b al cristal 3.
Un primer y un segundo foton en cada par generado viajan a lo largo de caminos a, b, que respectivamente comprenden:
- una primera parte a1, b1 que se extiende entre el segundo lado 3b del cristal 3 y el primer y segundo elemento reflectante 14a, l4b respectivamente; y
- una segunda parte a2, b2 que se extiende respectivamente desde el primer y el segundo elemento reflectante 14a, 14b hasta el divisor de haz 17, a traves del que se extienden los caminos a y b.
El divisor de haz 17, por ejemplo un tipo cubico, refleja una de las polarizaciones en la entrada (por ejemplo la polarizacion vertical), y permite que pase la otra polarizacion (por ejemplo la polarizacion horizontal).
Las caras de plano adyacentes primera y segunda 17a, 17b del divisor de haz 17 definen las entradas primera y segunda del divisor de haz 17, y estan inclinadas a 45° con respecto a la direccion de propagacion D: y las caras de plano tercera y cuarta 17c, 17d, opuestas a las caras 17a, 17b, definen las salidas primera y segunda del divisor de haz 17.
Segun la presente invencion, un primer y un segundo rotador de polarizacion 20a, 20b estan situados a lo largo de los caminos ay b, entre el cristal 3 y el primer y segundo elemento reflectante 14a, 14b, y se cruzan con los fotones que viajan a lo largo de la primera y segunda parte de camino a1, b1. Los rotadores de polarizacion 20a, 20b (conocidos) realizan una rotacion de 45° rotacion, y estan definidos por placas planas perpendiculares a la primera y segunda pate del camino a1, b1.
Los rotadores de polarizacion 20a, 20b estan de manera conveniente dotados de unos iris 21a, 21b que estan orientados hacia el cristal 3 y que tienen aberturas del orden de un milfmetro.
En el uso real, el par de fotones generado por la interaccion entre el haz laser 12 y el cristal tiene, por ejemplo, el siguiente estado:
Mas espedficamente, la notacion anterior (mecanica cuantica estandar) significa que, en cada par, un primer foton (notacion |1) viaja a lo largo del camino a (subrndice a) y tiene polarizacion horizontal (subrndice o), y un segundo foton (notacion |1) viaja a lo largo del camino b (subrndice b) y tambien tiene polarizacion horizontal (subrndice o).
El estado del par de fotones que golpea los rotadores de polarizacion 20a, 20b es por tanto:
|l>ao |l>bo (2)
El estado de los fotones en la salida de los rotadores de polarizacion, por otro lado, se expresa mediante la notacion:
imagen1
imagen2
Es decir, los pares de fotones en la salida de los rotadores de polarizacion pueden definirse mediante fotones verticales (|1>ae |1>be), mediante fotones horizontales (|1>ao |1>bo), o mediante un foton vertical y un foton horizontal
(|1>ae |1>bo y |1>ao |1>be).
Los fotones del estado de la notacion (3) golpean espejos 14a, 14b, que no alteran su estado, y que los dirigen a entradas 17a, 17b respectivas del divisor de haz 17.
El estado de los fotones en las salidas 17c, 17d del divisor de haz 17 se expresa mediante la siguiente notacion: ^<11^0 |l>bo - I l>ae I l>be) "1/2 ( | 1^ | l>bo+ I l>ae I l>ao)
(4)
En la que el primer termino:
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^<U>aoU>bo " H>ae H>be> (5)
de la notacion (4) representa un estado de Bell O (-) que, como se sabe, puede usarse en un procedimiento de criptograffa cuantica.
El segundo termino:
—i/2 ( | l>be U>bo+|l>ae ! X>ao) (6)
de la notacion (4) muestra como los fotones en el partienen polarizaciones opuestas (e y o), pero ambos viajan a lo largo del mismo camino (a o b), es decir no pueden detectarse simultaneamente mediante dos detectores (no mostrados) que se comunican con las salidas de los caminos respectivos. La notacion (6) por tanto simplemente constituye un termino de ruido, que puede descartarse facilmente durante el procedimiento de criptograffa cuantica.
La notacion (4) puede, por tanto, reescribirse como:
O(-) + ruido (7)
Aunque esten generados originalmente por un cristal de tipo uno, los fotones en la salida del divisor de haz 17 pueden por tanto ventajosamente usarse en un procedimiento de criptograffa cuantica.
Se aplica lo mismo tambien sustancialmente cuando se comienza con dos fotones de polarizacion vertical, es decir:
imagen3
Como la eficacia de generacion de un cristal de tipo uno es superior a la de un cristal de tipo dos en al menos un orden de magnitud, el uso de un cristal de tipo uno proporciona la obtencion de un generador de alta eficiencia.
En comparacion con generadores conocidos que emplean un cristal de tipo dos birrefringente, puede usarse por tanto un haz de bomba laser de potencia inferior, con sustancialmente la misma eficacia de generacion de pares de fotones.
Las salidas primera y segunda del divisor de haz 17 pueden conectarse a los prismas primero y segundo 23a, 23b para dirigir los fotones en sus salidas a lo largo de caminos inclinados, con respecto a los prismas, en un angulo a que depende de la longitud de onda de los fotones. Las salidas de los prismas 23a, 23b pueden por tanto suministrar diferentes canales de comunicacion (por ejemplo diferentes fibras opticas FO) que tienen entradas en diferentes posiciones angulares con respecto a los prismas 23a, 23b para recibir fotones de diferentes longitudes de onda. Asf modificado, el generador 1 puede suministrar numerosos canales.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Generador de alta eficiencia para generar pares de fotones, que puede usarse en un procedimiento cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica, que comprende:
    - un cristal de tipo uno (3) que recibe un haz de bomba laser (12) en la entrada y que genera pares de
    5 fotones (f) de polarizacion similar (e, o) en la salida (3b):
    - un primer y un segundo rotador de polarizacion (20a, 20b), que respectivamente reciben los fotones en cada par generado, dichos rotadores de polarizacion realizando cada uno una rotacion de 45°;
    - un divisor de haz (17), que refleja una polarizacion en sus entradas (17a, 17b), y transmite la otra polarizacion;
    10 - medios de transporte (14a, 14b) para dirigir los fotones desde el primer y segundo rotador de polarizacion
    (20a, 20b) a las entradas (17a, 17b) de dicho divisor de haz (17);
    comprendiendo el estado de los fotones en las salidas (17c, 17d) de dicho divisor de haz (17) un estado de Bell O (-) que puede usarse, por ejemplo, en un procedimiento de criptograffa cuantica.
  2. 2. Generador segun la reivindicacion 1, en el que dichos medios de transporte comprenden espejos primero y
    15 segundo (14a, 14b) para reflejar los fotones sobre dicho divisor de haz (17).
  3. 3. Generador segun la reivindicacion 1 o 2, en el que iris primero y segundo (21a, 21b) estan conectados a dichos rotadores de polarizacion (20a, 20b).
  4. 4. Generador segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el divisor de haz tiene salidas primera y segunda (17a, 17d) conectadas a unos prismas primero y segundo (23a, 23b) para dirigir los
    20 fotones en sus salidas a lo largo de caminos inclinados, con respecto a los prismas, en un angulo a que
    depende de la longitud de onda de los fotones; suministrando las salidas de los prismas diferentes canales de comunicacion que tienen entradas en diferentes posiciones angulares con respecto a los prismas para recibir fotones de diferentes longitudes de onda.
  5. 5. Metodo de generacion de pares de fotones de alta eficiencia, que puede usarse en un procedimiento
    25 cuantico que emplea procedimientos de fluorescencia parametrica, que comprende las etapas de:
    - dirigir un haz de bomba laser (12) sobre un cristal de tipo uno (3) para generar pares de fotones (f) de polarizacion similar (e, o) en la salida (3b) del cristal;
    - dirigir los fotones en cada par generado respectivamente a un primer y segundo rotador de polarizacion (20a, 20b), realizando cada uno una rotacion de 45°;
    30 - dirigir (14a, 14b) los fotones desde el primer y segundo rotador de polarizacion (20a, 20b) a las entradas
    (17a, 17b) de un divisor de haz (17), que refleja una polarizacion y transmite la otra polarizacion;
    comprendiendo el estado de los fotones en las salidas de dicho divisor de haz (17) un estado de Bell O (-) que puede usarse, por ejemplo, en un procedimiento de criptograffa cuantica.
  6. 6. Metodo segun la reivindicacion 5, en el que dicha etapa de dirigir los fotones desde el primer y segundo
    35 rotador de polarizacion (20a, 20b) comprende la etapa de reflejar (14a, 14b) los fotones sobre dicho divisor
    de haz (17).
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