一種三明治型高亮度量子糾纏光子源
閱讀：574發(fā)布：2020-05-16
專利匯可以提供一種三明治型高亮度量子糾纏光子源專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 公開了一種三明治型高 亮度 量子 糾纏 光子 源，包括 泵 浦激 光源 和晶體機(jī)構(gòu)，晶體機(jī)構(gòu)用于接收由泵浦激光源出射的泵浦激光并產(chǎn)生具有糾纏光子對的兩個(gè)下轉(zhuǎn)換光束，該晶體機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)非線性晶體，以及在所述兩個(gè)非線性晶體之間放置的一個(gè)半波片；所述兩個(gè)非線性晶體滿足II型 相位 匹配，且所述半波片的工作 波長 與該量子糾纏光子源的波長相同；所述半波片的光軸方向與一個(gè)平面成45度，該平面是所述兩個(gè)非線性晶體的光軸方向與所述泵浦激光的方向確定的平面。本發(fā)明調(diào)節(jié)方便、集成度高、利于擴(kuò)展，用于量子通信、量子密碼等應(yīng)用領(lǐng)域。，下面是一種三明治型高亮度量子糾纏光子源專利的具體信息內(nèi)容。
1.一種量子糾纏光子源，包括一個(gè)泵浦激光源和一個(gè)晶體機(jī)構(gòu)，該晶體機(jī)構(gòu)用于接收由泵浦激光源出射的泵浦激光并產(chǎn)生具有糾纏光子對的兩個(gè)下轉(zhuǎn)換光束，其特征在于：
該晶體機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)非線性晶體，以及在所述兩個(gè)非線性晶體之間放置的一個(gè)半波片；
所述兩個(gè)非線性晶體滿足II型相位匹配，且所述半波片的工作波長與該量子糾纏光子源的波長相同；
所述半波片的光軸方向與一個(gè)平面成45度，該平面是所述兩個(gè)非線性晶體的光軸方向與所述泵浦激光的方向確定的平面。
2.如權(quán)利要求1所述的量子糾纏光子源，其特征在于，所述兩個(gè)非線性晶體的光軸平行，且與泵浦激光的方向成一個(gè)角度。
3.如權(quán)利要求1所述的量子糾纏光子源，其特征在于，所述兩個(gè)非線性晶體和半波片均為片狀且緊密貼合。
4.如權(quán)利要求3所述的量子糾纏光子源，其特征在于，所述兩個(gè)非線性晶體均為BBO晶體，且二者的所有切割角均相同，且其中一個(gè)切割角與滿足II型相位匹配的相位匹配角相等。
5.如權(quán)利要求4所述的量子糾纏光子源，其特征在于，所述相位匹配角42.26度。
6.如權(quán)利要求1所述的量子糾纏光子源，其特征在于，還包括兩個(gè)空間補(bǔ)償晶體，其分別對所述兩個(gè)非線性晶體出射的下轉(zhuǎn)換光束進(jìn)行空間補(bǔ)償，使其在空間上不可區(qū)分。
7.如權(quán)利要求6所述的量子糾纏光子源，其特征在于，所述空間補(bǔ)償晶體為LiNbO3晶體。
8.如權(quán)利要求1所述的量子糾纏光子源，其特征在于，還包括兩個(gè)時(shí)間補(bǔ)償晶體，其分別對所述兩個(gè)非線性晶體出射的下轉(zhuǎn)換光子進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償，使其在時(shí)間上不可區(qū)分。
9.如權(quán)利要求8所述的量子糾纏光子源，其特征在于，所述時(shí)間補(bǔ)償晶體是YVO4晶體。
10.如權(quán)利要求1所述的量子糾纏光子源，其特征在于，在兩個(gè)下轉(zhuǎn)換光束的光路中的其中之一還包括一個(gè)四分之一波片，其擺角可被調(diào)節(jié)，以消除兩非線性晶體產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換光子之間的相位差。
一種三明治型高亮度量子糾纏光子源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于量子信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種量子糾纏光子源，適用于量子通信、量子密碼等應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)
[0002] 量子糾纏具有量子力學(xué)的本質(zhì)特征——相干性、或然性和空間非局域性，它是量子信息技術(shù)的核心資源。借助于糾纏態(tài)，我們可以完成一些經(jīng)典信息過程不可能完成的任務(wù)，比如量子態(tài)隱形傳輸、密集編碼、量子精密測量等?，F(xiàn)今，研究人員又提出了更加復(fù)雜的方案，如量子糾錯(cuò)、one-way量子計(jì)算，這些更需要多比特的糾纏態(tài)。如果要實(shí)現(xiàn)這些新奇的想法，我們必須能夠方便的制備出多比特糾纏態(tài)。
[0003] 雖然產(chǎn)生糾纏態(tài)的系統(tǒng)有很多，并且各有各的優(yōu)點(diǎn)，但最方便和易控制的方法是通過參量下轉(zhuǎn)換的方式產(chǎn)生糾纏光子對。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)過程可以看成是一個(gè)相干的三光子過程。泵浦激光的強(qiáng)度要足夠強(qiáng)，使得晶體中電子的震蕩幅度達(dá)到非線性區(qū)域，二階相互作用導(dǎo)致一個(gè)泵浦光子湮滅并產(chǎn)生兩個(gè)下轉(zhuǎn)換光子，能量、動量守恒保證了兩個(gè)光子在這兩個(gè)連續(xù)自由度上的糾纏。在實(shí)際應(yīng)用中，由于光子偏振容易操作，所以大部分采用偏振自由度，最簡單的雙光子最大糾纏態(tài)為貝爾態(tài)：
[0004] 用SPDC過程產(chǎn)生糾纏光子對的研究已經(jīng)有很多年的歷史，并且產(chǎn)生了很多重要的成果，如量子態(tài)隱形傳輸、量子非局域性檢驗(yàn)和空間量子通信的實(shí)現(xiàn)。 [0005] 現(xiàn)在已有的糾纏光源主要有以下三種：
[0006] 1、最常用的是采用非共線II型(II型相位匹配指兩下轉(zhuǎn)換光子的偏振垂直，可以表示為o→e+o或e→e+o；而I型相位匹配指兩下轉(zhuǎn)換光子的偏振相同，可以表示為o→e+e或e→o+o。)BBO晶體(β-偏硼酸鋇晶 體)，輸出光子對的偏振垂直，正對晶體看時(shí)光子的軌跡為兩相交圓環(huán)(如圖1所示)，其中一個(gè)環(huán)為e偏振另一個(gè)為o偏振。由于能動量守恒，共軛光子對只會出現(xiàn)在兩圓環(huán)和泵浦激光中心對稱的兩個(gè)點(diǎn)上。因此收集相交兩點(diǎn)處的光子對就能得到偏振糾纏的貝爾態(tài)(需加入雙折射晶體做時(shí)間補(bǔ)償)。該方案只需要一塊BBO晶體，也是首次用SPDC方法實(shí)現(xiàn)了糾纏態(tài)的產(chǎn)生。但一開始是用連續(xù)光作為泵浦激光，不利于多光子干涉，并且相交兩點(diǎn)處以外的下轉(zhuǎn)換光場均沒有利用而浪費(fèi)，因此光源亮度較低，限制了其在更多方案中的應(yīng)用。
[0007] 如果用飛秒脈沖泵浦，則泵浦激光脈沖會引入附加的時(shí)間信息，并且無法用雙折射晶體進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[Y.-H.Kim et al.，Experimental entanglement concentration and universal Bell-state synthesizer，Phys.Rev.A67，010301(R)(2003)]中提出了一種干涉糾纏濃縮(entanglement concentration)的方案，即將兩糾纏光子在PBS上進(jìn)行干涉，使光譜相同的光子在同一探頭被探測，這樣o光和e光的時(shí)間可區(qū)分性對偏振糾纏不會產(chǎn)生影響。所以不需要窄帶濾波片即可獲得高保真度的糾纏態(tài)。但是添加PBS增加了糾纏光子源的調(diào)節(jié)難度。
[0008] 2、另一種糾纏光子源采用I型相位匹配，需要兩塊相鄰的I型晶體，其光軸方向互相垂直，即第一(二)塊晶體光軸和泵浦激光組成豎直(水平)平面，出射光子的軌跡為以泵浦激光為中心的同心圓(如圖2所示)。根據(jù)I型相位匹配，豎直(水平)偏振的泵浦激光只會在第一(二)塊晶體產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換。如用45度偏振的泵浦激光泵浦，則在兩塊晶體中產(chǎn)生的光子數(shù)相同，若能同時(shí)收集到兩塊晶體的光，則收集到光子對的量子態(tài)為 該源的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以方便的產(chǎn)生非最大糾纏態(tài)，只需采用非45度偏振的泵浦激光。但晶體厚度必須很薄，使得能夠同時(shí)收集到兩塊晶體的光而不需要空間補(bǔ)償。
并且和普通II型糾纏光子源類似，只能收集到兩圓環(huán)上一小部分下轉(zhuǎn)換光子，因此亮度較低。
并且和普通II型糾纏光子源類似，只能收集到兩圓環(huán)上一小部分下轉(zhuǎn)換光子，因此亮度較低。
[0009] 3、后來由Takeuchi和Kurtsiefer發(fā)現(xiàn)，對于II型相位匹配，隨著相位匹配角θ逐漸減小，下轉(zhuǎn)換光場會從兩相交圓錐面(cone-like)逐漸收縮并最終塌縮成兩個(gè)分離的光束(beam-like)(如圖3所述)。每個(gè)光束的光 強(qiáng)分布均為高斯型并且有很小的發(fā)散角，所有的下轉(zhuǎn)換光子都在這兩個(gè)特定方向上，因此光強(qiáng)很強(qiáng)并且容易收集。 [0010] Beam-like型糾纏光子源[X.L. Niu et al，Beamlike high-brightness source of polarization-entangled photon pairs，Opt.Lett.33，968(2008)]是采用兩塊上述切割角度的BBO晶體，與I型糾纏光子源的兩塊晶體結(jié)構(gòu)思想類似，第一塊晶體產(chǎn)生光子對為直積態(tài)|H＞|V＞，第二塊晶體的光軸旋轉(zhuǎn)180度，產(chǎn)生光子對為直積態(tài)|V＞|H＞，再經(jīng)過空間補(bǔ)償和時(shí)間補(bǔ)償，即可得到糾纏態(tài)。Beam-like型糾纏光子源和I型及普通II型糾纏光子源相比，幾乎所有下轉(zhuǎn)換光子都可以收集，因此亮度很高，并且有很高的收集效率。但是，現(xiàn)有的Beam-like II型糾纏光子源存在如下不足：(1)采用兩塊分離的BBO晶體，安裝和調(diào)節(jié)都比較復(fù)雜，集成度不高；(2)兩BBO在同側(cè)產(chǎn)生光子的譜寬不同，并且脈沖泵浦時(shí)會增加o光和e光時(shí)間上的可區(qū)分性(無法補(bǔ)償)，導(dǎo)致糾纏光子源的保真度降低。必須采用窄帶濾波片消除光譜可區(qū)分性和時(shí)間可區(qū)分性，浪費(fèi)了大部分下轉(zhuǎn)換光子，并且晶體厚度不能太厚(否則脈沖泵浦引入的時(shí)間信息更加明顯)，因此降低了光源的亮度。 發(fā)明內(nèi)容
[0011] (一)要解決的技術(shù)問題
[0012] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的Beam-like型糾纏光子源兩塊BBO產(chǎn)生的光子之間仍具有光譜可區(qū)分性和時(shí)間可區(qū)分性，必須用窄帶濾波片來提高保真度，以及調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，集成度不高的問題
[0013] (二)技術(shù)方案
[0014] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種量子糾纏光子源，包括一個(gè)泵浦激光源和一個(gè)晶體機(jī)構(gòu)，該晶體機(jī)構(gòu)用于接收由泵浦激光源出射的泵浦激光并產(chǎn)生具有糾纏光子對的兩個(gè)下轉(zhuǎn)換光束，其包括兩個(gè)非線性晶體和在所述兩個(gè)非線性晶體之間放置的一個(gè)半波片；所述兩個(gè)非線性晶體滿足II型相位匹配，且所述半波片的工作波長與該量子糾纏光子源的波長相同；所述半波片的光軸方向與一個(gè)平面成45度，該平面是所述兩個(gè)非線性晶體的光軸方向與所述泵浦激光的方向確定的平面。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，所述兩個(gè)非線性晶體的光軸平行，且與泵浦激光的方向成一個(gè)角度。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，所述兩個(gè)非線性晶體和半波片均為片狀且緊密貼合。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，所述兩個(gè)非線性晶體均為BBO晶體，且二者的所有切割角均相同，且其中一個(gè)切割角與滿足II型相位匹配的相位匹配角相等。 [0018] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，所述相位匹配角42.26度。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，還包括兩個(gè)空間補(bǔ)償晶體，其分別對所述兩個(gè)非線性晶體出射的下轉(zhuǎn)換光束進(jìn)行空間補(bǔ)償，使其在空間上不可區(qū)分。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，所述空間補(bǔ)償晶體為LiNbO3晶體。 [0021] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，還包括兩個(gè)時(shí)間補(bǔ)償晶體，其分別對所述兩個(gè)非線性晶體出射的下轉(zhuǎn)換光子進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償，使其在時(shí)間上不可區(qū)分。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，所述時(shí)間補(bǔ)償晶體是YVO4晶體。 [0023] 根據(jù)本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式，在兩個(gè)下轉(zhuǎn)換光束的光路中的其中之一還包括一個(gè)四分之一波片，其擺角可被調(diào)節(jié)，以消除兩非線性晶體產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換光子之間的相位差。 [0024] (三)有益效果
[0025] 本發(fā)明和現(xiàn)有的糾纏光子源相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] (1)本發(fā)明采用了三明治型晶體機(jī)構(gòu)，將晶體緊密貼合在一起，因此調(diào)節(jié)方便、集成度高、利于擴(kuò)展。
[0027] (2)本發(fā)明采用了兩塊非線性晶體光軸平行放置的結(jié)構(gòu)，消除了光譜可區(qū)分性，提高了糾纏源的保真度。
[0029] 圖1是現(xiàn)有的采用普通II型的糾纏光源的原理示意圖；
[0030] 圖2是現(xiàn)有的采用I型相位匹配的糾纏光源的原理示意圖；
[0031] 圖3是現(xiàn)有的采用Beam-like II型相位匹配的糾纏光源的分離的光束的示意圖； [0032] 圖4為本發(fā)明的三明治型晶體機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖；
[0033] 圖5為本發(fā)明的包含三明治型晶體機(jī)構(gòu)的糾纏光子源的一個(gè)實(shí)施例的光路圖； [0034] 圖6A為濾波片寬度分別為2nm、3nm、10nm和不加濾波片時(shí)量子態(tài)層析(tomography)的數(shù)據(jù)；圖6B為重構(gòu)出的密度矩陣實(shí)部和虛部示意圖(濾波片為3nm)；
圖6C為不同寬度濾波片時(shí)干涉可見度和符合計(jì)數(shù)率的變化曲線圖；
圖7為本發(fā)明的單塊BBO實(shí)現(xiàn)該糾纏光子源的方案，僅適用于制備兩光子糾纏態(tài)。
圖6C為不同寬度濾波片時(shí)干涉可見度和符合計(jì)數(shù)率的變化曲線圖；
圖7為本發(fā)明的單塊BBO實(shí)現(xiàn)該糾纏光子源的方案，僅適用于制備兩光子糾纏態(tài)。
具體實(shí)施方式
[0035] 本發(fā)明在上述beam-like II型糾纏光子源的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種三明治型晶體機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的晶體機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)非線性晶體，以及在兩個(gè)非線性晶體之間放置的一個(gè)半波片。所述兩個(gè)非線性晶體的切割角度相同，要求泵浦激光正入射晶體時(shí)滿足beam-like II型相位匹配，且兩晶體的光軸方向平行。半波片的光軸方向與一個(gè)平面成45度，該平面是所述兩個(gè)非線性晶體的光軸方向與所述泵浦激光的方向確定的平面。 [0036] 半波片的作用是使第一塊晶體產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子的偏振方向改變90度。由此，兩塊晶體在同一側(cè)產(chǎn)生的兩光子偏振方向垂直，經(jīng)過空間補(bǔ)償和時(shí)間補(bǔ)償就可以得到糾纏態(tài)。
[0037] 半波片的工作波長與糾纏光子源的波長相同，半波片的工作波長是泵浦激光波長的兩倍，并且優(yōu)選為對泵浦激光產(chǎn)生的作用較小的材料。不同的工作波長的半波片對應(yīng)的晶體切割角是不同的。此外，半波片優(yōu)選為真零階半波片，因?yàn)檎媪汶A半波片比較薄，做空間補(bǔ)償比較容易。
[0038] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0039] 1、三明治型晶體機(jī)構(gòu)
[0040] 圖4為本發(fā)明提出的三明治型晶體機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的原理示意圖。如圖4所示，本發(fā)明的三明治型晶體機(jī)構(gòu)包括第一晶體4、半波片5和第二晶體6。上述三個(gè)元件均為片狀且緊密貼合，半波片5設(shè)置于第一晶體 4和第二晶體6之間。第一晶體4和第二晶體6的切割角度相同，并且光軸方向平行。第一晶體4或第二晶體6的光軸方向與入射到該三明治型晶體機(jī)構(gòu)的泵浦激光方向(圖4中的Z方向)確定一個(gè)平面，在該實(shí)施例中該平面為水平面。
[0041] 在該實(shí)施例中，第一晶體4和第二晶體6是兩塊切割角度相同的BBO晶體(β-偏硼酸鋇晶體，切割角度指所有切割角)，且其光軸方向也均在水平面內(nèi)，且與泵浦激光方向夾角為42.26度(相位匹配角)。兩塊非線性晶體均具有相互平行的兩個(gè)表面，即入射面和出射面，兩個(gè)晶體的入射面均垂直于泵浦激光方向，泵浦激光從第一晶體4的入射面入射到該三明治型晶體機(jī)構(gòu)。
[0042] 在該實(shí)施例中，兩個(gè)晶體的規(guī)格大小均為9×7×1mm，其中一個(gè)切割角θ與相位匹配角相同，即為42.26度；另一個(gè)切割角 為30度。這里，BBO晶體的工作波長和對應(yīng)具體切割角度θ和 的定義與公知的定義相同。 取有效倍頻系數(shù)最大的方向，在滿足相位匹配之后，因?yàn)橄罗D(zhuǎn)換光強(qiáng)還和有效倍頻系數(shù)有關(guān)。
[0043] 而半波片5是放置在第一晶體4和第二晶體6中間的780nm真零階半波片，其光軸與水平方向成45度。
[0044] 由于BBO為負(fù)單軸晶體，根據(jù)II型相位匹配，本發(fā)明的泵浦激光應(yīng)為e光。BBO的光軸方向在水平面內(nèi)，所以泵浦激光應(yīng)為水平偏振光(H偏振光)。泵浦激光經(jīng)過第一晶體4后產(chǎn)生兩路下轉(zhuǎn)換光束4a和4b，兩路下轉(zhuǎn)換光束在此實(shí)施例中分別稱為a路和b路(a路為向上出射的光路，b路為向下出射的光路)，下轉(zhuǎn)換光束4a和4b的波長是泵浦激光的兩倍。
[0045] 在該實(shí)施例中，兩個(gè)BBO晶體的光軸方向與所述Z軸方向的夾角為-42.26度(或132.26度)，下轉(zhuǎn)換光束4a為o光(垂直偏振，或稱V偏振)，下轉(zhuǎn)換光束4b為e光(H偏振)。
[0046] 經(jīng)過半波片5后，下轉(zhuǎn)換光束4a偏振方向變?yōu)镠偏振光，下轉(zhuǎn)換光束4b變?yōu)閂偏振光。在該實(shí)施例中，泵浦激光波長為390nm，半波片5的工作波長為780nm，半波片5對泵浦激光相當(dāng)于全波片，所以不改變泵浦激光的偏振，泵浦激光入射到第二晶體6時(shí)仍為e光，產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光束6a為o光(V偏振)，下轉(zhuǎn)換光束6b為e光(H偏振)，兩個(gè)下轉(zhuǎn)換光 束6a、6b的波長也均為泵浦激光的兩倍。各下轉(zhuǎn)換光束與z軸夾角由相位匹配角決定，在該實(shí)施例中其約為3.26度。
[0047] 值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，制作本發(fā)明的三明治型晶體機(jī)構(gòu)時(shí)需將三塊晶體粘合在一起，且要求兩塊BBO晶體的平行程度較高。如果兩塊BBO的匹配角相差較多，則后面用單模光纖就無法收集到兩塊晶體的光，粘合的平行程度可從反射光斑來看出。兩塊BBO晶體最好用同批次切割的，以保證光軸角度平行。
[0048] 2、包含三明治型晶體機(jī)構(gòu)的糾纏光子源
[0049] 圖5為本發(fā)明的包含三明治型晶體機(jī)構(gòu)的糾纏光子源的一個(gè)實(shí)施例的光路圖。如圖5所示，該糾纏光子源包括一個(gè)激光器1、一個(gè)倍頻系統(tǒng)2、一個(gè)第一透鏡3、由第一晶體4、半波片5和第二晶體6組成的三明治結(jié)構(gòu)的晶體機(jī)構(gòu)、兩個(gè)空間補(bǔ)償晶體7a、7b、兩個(gè)第二透鏡8a、8b、兩個(gè)時(shí)間補(bǔ)償晶體9a、9b、一個(gè)四分之一波片10a、兩個(gè)檢偏鏡11a、11b、兩個(gè)干涉濾波片12a、12b、探測器前用耦合器13a、13b、單模光纖14a、14b、單光子探測器15a、
15b。
15b。
[0050] 激光器1、倍頻系統(tǒng)2、第一透鏡3構(gòu)成泵浦激光源。激光器1產(chǎn)生的泵浦激光首先經(jīng)過倍頻系統(tǒng)2，倍頻后的泵浦激光經(jīng)過第一透鏡3(焦距為150mm)后聚焦在三明治結(jié)構(gòu)的晶體(4～6)上。
[0052] 第一透鏡3的作用在于減小入射到第一晶體(BBO晶體)上泵浦激光光斑的大小，有利于后面單模光纖對下轉(zhuǎn)換光子的收集。
[0053] 三明治晶體機(jī)構(gòu)的輸出量子態(tài)為兩直積態(tài)HV和VH的混合疊加，不同BBO晶體產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子在空間和時(shí)間上并不重合，因此要獲得糾纏態(tài)需要作空間和時(shí)間補(bǔ)償。 [0054] 所述空間補(bǔ)償晶體是使兩塊BBO產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子在空間上不可區(qū)分。補(bǔ)償原理是：V光正入射晶體時(shí)傳播方向不改變，H光會在水平方向平移一段距離(空間補(bǔ)償晶體的光軸在水平面內(nèi)，與入射光線成一定夾角)，因此可以將偏振不同的兩束光拉到一起。在該實(shí)施例中，利用LiNbO3晶體作為空間補(bǔ)償晶體7a、7b，LiNbO3晶體7a的厚度為1mm，LiNbO3晶 體7b的厚度為3.2mm，兩路空間補(bǔ)償晶體的厚度不同是因?yàn)楸闷旨す鉃閑光偏振，在三明治晶體機(jī)構(gòu)中向a路偏折，使得出射光線中a路的兩條挨得比b路的更近一些，所以空間補(bǔ)償晶體7a比7b要薄。
[0055] 為了獲得單一模式的光子以提高保真度，在探測器前用耦合器13a、13b和單模光纖14a、14b收集作為最后的空間濾波。
[0056] 第二透鏡8a、8b(焦距100mm)的作用為聚焦和準(zhǔn)直，使其能更好的收集到單模光纖中。
[0057] 時(shí)間補(bǔ)償晶體是使兩塊BBO產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子在時(shí)間上不可區(qū)分。在該實(shí)施例中，時(shí)間補(bǔ)償晶體9a、9b是YVO4晶體，用于補(bǔ)償H光和V光在三明治晶體機(jī)構(gòu)和空間補(bǔ)償晶體中由于折射率不同導(dǎo)致的時(shí)間差，9a厚度為0.6mm、9b厚度為0.42mm。 [0058] 根據(jù)本發(fā)明，空間補(bǔ)償晶體7a、7b必須要放在第二透鏡8a、8b之前，時(shí)間補(bǔ)償晶體9a、9b放在第二透鏡8a、8b前后均可以。
[0059] 在耦合到單模光纖之前，還需要放置檢偏鏡11a、11b(包括一個(gè)四分之一波片、一個(gè)半波片和一個(gè)PBS)和干涉濾波片12a、12b。單光子探測器15a、15b為硅雪崩式光電二極-1管，探測效率～65％，暗記數(shù)100s 量級。測量數(shù)據(jù)時(shí)D1、D2的符合窗口設(shè)為4ns，并且單道計(jì)數(shù)不宜太高，以保證隨機(jī)符合計(jì)數(shù)可以忽略。經(jīng)過空間時(shí)間補(bǔ)償，晶體的輸出量子態(tài)為 [0060] 此外，該實(shí)施例的量子糾纏光子源的下轉(zhuǎn)換光路的a路和b路中，還可以在其中一路中放置一個(gè)四分之一波片10a，其位置可以位于空間補(bǔ)償晶體7a、7b至探測器前用耦合器13a、13b之間的任意位置，通過調(diào)節(jié)四分之一波片10a的擺角，可用于消除兩BBO產(chǎn)生下轉(zhuǎn)換光子之間的相位差，即上述量子態(tài)中的相位φ，得到最終的貝爾態(tài)
[0061] 3、實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)
[0062] 為了測試該糾纏光子源，我們對不同寬度濾波片時(shí)的量子態(tài)作了量子態(tài)層析(tomography)，數(shù)據(jù)見下表1及附圖6A、6B、6C。
[0063] 表1
[0064]
[0065]
[0066] 表1顯示了不同寬度濾波片時(shí)量子態(tài)層析(tomography)的數(shù)據(jù)，以及由此計(jì)算出-1 -1來的糾纏態(tài)concurrence、+-基矢下干涉可見度和光源亮度(s mW )。
[0067] 圖6A和圖6B分別為重構(gòu)出密度矩陣的實(shí)部和虛部示意圖(濾波片為3nm)。從圖6A可以看出密度矩陣中|HV＞＜HV|和|VH＞＜VH|兩項(xiàng)接近0.5，|HV＞＜VH|和|VH＞＜HV|兩項(xiàng)接近-0.5。從圖6B可知密度矩陣虛部均接近0，所以產(chǎn)生的量子態(tài)為[0068] 圖6C為不同寬度濾波片時(shí)干涉可見度和符合計(jì)數(shù)率的變化曲線圖。從圖中可以看出隨著濾波片的變寬符合計(jì)數(shù)率明顯上升，但干涉可見度并無明顯下降，證明了糾纏光子源的保真度與濾波片寬度無關(guān)。
[0069] 從圖6A～圖6C中可以看出，利用本發(fā)明的三明治結(jié)構(gòu)的晶體機(jī)構(gòu)，我們獲得了高保真度的雙光子糾纏態(tài)，并且隨著濾波片的變寬糾纏態(tài)的干涉可見度并無明顯下降，在不加濾波片時(shí)仍有0.94，其符合計(jì)數(shù)率2200s-1mW-1，卻比2nm濾波片時(shí)高了一個(gè)數(shù)量級。該高亮度的糾纏光子源已具備實(shí)現(xiàn)空間(地球-衛(wèi)星)量子通信的能力，并且有能力制備出更多比特的光子糾纏態(tài)。
[0070] 為了進(jìn)一步測試該源的質(zhì)量，我們在3nm濾波片時(shí)作了CHSH不等式的測量，P1、P2的角度選取分別為[θ1＝0°，90°，-45°，45°；θ2＝-22.5°，67.5°，22.5°，112.5°]，測量結(jié)果S＝2.7915±0.0037，這意味著違背了214個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，證明了該源產(chǎn)生的量子態(tài)確實(shí)存在糾纏。因?yàn)橛?jì)數(shù)率很高，在每組角度下的數(shù)據(jù)僅測量了10s。 [0071] 4、單塊晶體實(shí)現(xiàn)的糾纏光子源
[0072] 圖7為本發(fā)明的另一實(shí)施例的晶體機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施例是單塊晶體與一個(gè)四分之一波片組合成的晶體機(jī)構(gòu)。如圖7所示，第一晶體4同樣為BBO晶體，該單塊BBO晶體4的后表面粘合一塊四分之一波片16。
[0073] 此外，該晶體機(jī)構(gòu)還包括三個(gè)反射鏡，即第一反射鏡17、第二反射鏡18和第三反射鏡19。
[0074] 該實(shí)施例相當(dāng)于把第一實(shí)施例中的三明治結(jié)構(gòu)的晶體機(jī)構(gòu)從中間切割成一半，并在后面放置反射鏡，并在左側(cè)c、d兩路收集下轉(zhuǎn)換光子。
[0075] 該第二實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于泵浦激光第一次入射晶體時(shí)產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子經(jīng)過反射后與泵浦激光第二次入射晶體時(shí)產(chǎn)生的下轉(zhuǎn)換光子在空間上完全重合，并且通過調(diào)節(jié)反射鏡17～19和BBO之間的距離，可以讓兩光子對在出射時(shí)間上也完全重合，這樣就省去了空間補(bǔ)償和時(shí)間補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜步驟，不僅可以提高收集效率還可提高糾纏光子源質(zhì)量。該方案的缺點(diǎn)在于泵浦激光經(jīng)反射之后無法繼續(xù)利用，不能將多個(gè)源串聯(lián)起來。 [0076] 5、三明治型糾纏源優(yōu)點(diǎn)
[0077] (1)本發(fā)明采用了三明治型晶體機(jī)構(gòu)，將晶體緊密貼合在一起，因此調(diào)節(jié)方便、集成度高、利于擴(kuò)展。
[0078] (2)本發(fā)明采用了兩塊非線性晶體光軸平行放置的結(jié)構(gòu)，因此兩側(cè)探頭收集到光子的光譜相同，消除了光譜可區(qū)分性，提高了糾纏態(tài)的保真度。
[0079] 另一方面，兩側(cè)的光譜不對稱(e光光譜比o光窄)，可以在兩側(cè)探頭前加不同寬度的濾波片。在做多光子干涉時(shí)，可以讓e光一側(cè)做干涉，提 高干涉可見度。并且兩側(cè)濾波片寬度和o、e光譜寬匹配時(shí)符合效率更高，提高符合效率可以減少多光子項(xiàng)在干涉時(shí)的影響。
[0080] (3)兩晶體光軸平行的結(jié)構(gòu)還可以消除脈沖泵浦引起的時(shí)間可區(qū)分性。 [0081] 用飛秒激光器泵浦時(shí)，因?yàn)槊}寬很窄，下轉(zhuǎn)換光子在晶體內(nèi)各處產(chǎn)生的概率并不相同，通過追蹤泵浦激光脈沖在晶體內(nèi)的位置，我們就能夠區(qū)分在BBO晶體入射面和在出射面產(chǎn)生的光子。因此脈沖泵浦增加了時(shí)間上的可區(qū)分性。采用上述三明治結(jié)構(gòu)的晶體，上下兩路探頭收集到的不同BBO產(chǎn)生的光子同為o光，或同為e光，兩o光子(e光子)的時(shí)間差和泵浦激光在晶體內(nèi)何處產(chǎn)生的劈裂無關(guān)(通過計(jì)算可知與入射面距離相同的兩光子的時(shí)間差為定值)，因此可以通過雙折射晶體做時(shí)間補(bǔ)償，消除脈沖泵浦引起的時(shí)間可區(qū)分性。
[0082] 和干涉糾纏濃縮的思想類似，該源產(chǎn)生的糾纏態(tài)與濾波片寬度、晶體厚度、泵浦激光脈寬均無關(guān)，又能夠方便的收集到大部分光子(beam-like)，因此其產(chǎn)生的所有光子均沒有被浪費(fèi)，光源的亮度進(jìn)一步提高。
[0083] 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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