申请/专利权人：南京邮电大学

申请日：2017-09-01

公开（公告）日：2021-02-23

公开（公告）号：CN107608158B

主分类号：G02F1/35(20060101)

分类号：G02F1/35(20060101);G02F1/355(20060101);G02B27/28(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.23#授权;2018.02.13#实质审查的生效;2018.01.19#公开

摘要：本发明公开了一种简单可靠的制备任意Werner态的方法，包括纠缠光源的制备阶段和一个构建可控的去极化信道阶段，前者通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后者使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片；所述可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置一片半波片；完全消相位通道由两块消相位晶体以及它们之间的半波片组成；态的叠加部分包含一块BS。本发明调节方便，可行性强，可以应用于量子信息处理、量子通信等领域。

主权项：1.一种制备双光子Werner态的方法，该方法包括纠缠光源的制备和一个可控的去极化信道两大部分，前一部分通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后一部分使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，其特征在于：该纠缠光源的制备部分所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片；该可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，其中Sagnac环由一块PBS，三片反射镜和一片半波片组成，所述Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置所述一片半波片；完全消相位通道由一块YVO4晶体，一块LiNbO3晶体以及一片放置在所述YVO4晶体和LiNbO3晶体两块消相位晶体之间的半波片组成；态的叠加部分包括一块分束器BS。

全文数据：一种简单可靠的制备任意Werner态的方法技术领域[0001]本发明属于量子信息技术领域，具体涉及制备一种量子纠缠光源，可应用在量子信息处理等领域。背景技术[0002]纠缠是量子世界最重要的特性之一，也是量子信息技术的核心资源。纠缠作为一种资源，可以完成一些经典资源无法完成的任务，比如量子隐形传态、量子密集编码等。在量子信息学中信息的存储、表不、提取都尚不开量子态及其演化过程，而纠缠态是量子态中特别重要的一类。在现实生活中，量子系统不可避免的会和外界环境发生作用，从而发生消相干作用，这使得纯的量子态去极化为纠缠态和完全混态的混合体，Werner态就是一种典型的混合态。在许多实际应用，如量子纠缠提纯、量子非局域性检验和量子纠缠测量等研究中，对Werner态这类非最大纠缠态的研究比对最大纠缠态的研究更具有实际意义。[0003]制备Werner态的方法有很多，其中最常用的方法是通过参量下转换的方式产生纠缠光子对，并与引入的混态进行混合。自发参量下转换过程是晶体非线性作用的过程，一束频率为ω的栗浦激光与非线性晶体相互作用，以一定概率产生频率分别为ω:，ω2的孪生光子对，一般将其中一个光子称为信号光，另一个称为休闲光，并且满足能量守恒关系ω1+ω2=ω。在实际应用中，光子的偏振容易操作，大部分采用偏振自由度来制备纠缠态，最常用的双光子最大纠缠态为贝尔态，即=、卜态的引入大多采用纠缠态经过特定的去极化通道，使其发生去极化变为混态。再把最大纠缠态和混态进行混合，就可以得到Werner态，比如pIΦ-ΧΦ-1+Ι-p144，其中I4代表单位矩阵，P代表最大纠缠态所占比重，OSp彡1。当P=O时，该Werner态为完全混态；当p=l时，该Werner态为最大纠缠态。[0004]迄今为止，使用自发参量下转换过程产生最大纠缠光子对，并引入混态制备双光子Werner态的方法已经被许多团队进行过研究。但是在以往的制备方案中都存在着一些缺点，比如：[0005]1、最初制备双光子Werner态方法中，首先产生纠缠态的方法是采用非共线I型（I型相位匹配指两下转换光子的偏振相同，可以表示为ο—e+e或e—o+o,而II型相位匹配指两下转换光子的偏振垂直，可以表示为o—e+o或e—e+o相位匹配量子纠缠光源，需要两块紧密贴合较薄的BBO晶体，输出光子对是以栗浦光为中心的同心圆环。当栗浦光为垂直冰平偏振态时，根据I型相位匹配原理，下转换过程只在第一块第二块晶体内发生，产生的光子对均为水平垂直偏振。当栗浦光光子的偏振为45度时，其在第一块和第二块晶体中转换的概率相同。所以在圆环上与栗浦光中心对称的两个方向收集光子对时，可以收集到最大纠缠态丨力il〉±I以〉[0006]上述I型相位匹配制备纠缠态的方法收集效率比较低，并且收集孔径越大越容易收集到非关联的光子，从而导致纠缠度下降。我们这里采用的是文献[ZhangCetal.，ExperimentalGreenberger-Horne-Zeilinger-TypeSix-PhotonQuantumNonlocality,Phys.Rev.Lett.，1152015260402]中所提出的三明治型纠缠光源的制备方案，如图I所示，其非线性晶体由两块为beamlikeII型切割的BBO晶体4、6和放置在两块BBO晶体中间的真零阶半波片5组成，且两块BBO晶体的光轴平行放置，中间的真零阶半波片的工作波长与下转换光子波长相同，并被设置为45度。栗浦光经过第一块BBO晶体产生路径分别为4a的H偏振和4b的V偏振的偏振纠缠态，经过设置在45度的半波片后，路径6a和6b偏振会变为V偏振和H偏振，所以两块BBO晶体在同一侧产生的两光子偏振方向垂直，并且同一侧产生的光子均为e光或〇光，具有相同的光谱。通过补偿晶体让两晶体产生的光子不可区分时，就可以制备出偏振纠缠态。该方案与I型相位匹配方案相比，光源的亮度和耦合效率均得到大幅度提高。在该方案中，真零阶半波片比较薄，做补偿比较容易。借助此高亮度的纠缠光源，可以更为便捷的制备高保真度的双光子Werner态。[0007]2、在制备Werner态时，产生混态的方法一般是让量子态通过消相位通道，使其密度矩阵对角元衰减，从而退化为混态。在早期制备Werner态的方案中，消相位通道是由石英片组成的。这种方法只能制备特定参数的Werner态，并且制备方法较复杂。发明内容[0008]本发明所要解决的技术问题是针对现有的制备双光子Werner态的方法只能制备特定参数的双光子Werner态，以及调节比较复杂，操作难度较大的问题。[0009]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种简单可靠的制备任意Werner态的方法，包括纠缠光源的制备阶段和一个构建可控的去极化信道阶段，前者通过使用激光栗浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后者使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，该纠缠光源的制备阶段所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片;所述可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，其中Sagnac环由一块PBS，三片反射镜和一片半波片组成，所述Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置一片半波片;完全消相位通道由一块YV〇4晶体，一块LiNb〇3晶体以及一片放置在两块所述消相位晶体之间的半波片组成;态的叠加部分包含一块BS。[0010]进一步，上述完全消相位通道的两块消相位晶体的光轴方向平行，并与半波片的快轴方向呈22.5度夹角。[0011]作为优选，所述YVO4晶体的厚度为0.95〜1.02mm。[0012]作为优选，所述LiNbO3晶体的厚度为5.09〜8.98mm。[0013]进一步，上述LiNbO3晶体厚度的79.7倍和YV〇4晶体厚度的214.7倍之差要大于203mm〇[00Μ]进一步，上述半波片为真零阶半波片。[0015]进一步，上述态的叠加是在Sagnac环出口处放置一块BS，其分别对所述通过非线性晶体产生的最大纠缠态和经过去极化信道产生的完全混态进行空间叠加。[0016]本发明和现有的制备双光子Werner态方法相比具有如下优点：[0017]1本发明通过调节放置于Sagnac环中的半波片的角度，可以制备任意参数的双光子Werner态，因此调节方便。[0018]2本发明采用了量子纠缠光源制备和可控的去极化信道两个模块，集成度高、利于扩展。附图说明[0019]图1为三明治型纠缠光源的制备方案；[0020]图2为本发明的去极化信道的一个实施例的原理示意图；[0021]图3为本发明的包含去极化信道的纠缠光子源的一个实施例的光路图；[0022]图4为参数p值分别为0.992、0.730、0.371和0.010时重构出的密度矩阵实部和虚部示意图；[0023]图5为不同参数p值时纠缠度和保真度的变化曲线图。具体实施方式[0024]本发明在上述三明治型纠缠光子源的基础上增加了去极化信道，并设计了一种完全消相位的通道。本发明的完全消相位通道包括YV04晶体，LiNbO3晶体，以及在两个上述晶体之间放置的一片半波片。所述YV〇4晶体的切割角为0度，LiNbO3晶体的切割角为45度，要求栗浦激光正入射晶体，两块消相位晶体的光轴方向平行，并与半波片的快轴方向呈22.5度夹角。[0025]在完全消相位通道中，YV〇4晶体、LiNbO3晶体和半波片的作用是将偏振的波包在空间、时间上分开。纠缠态经过该通道，就会发生消相位作用，使其纠缠态变为完全混态。其中，半波片的工作波长与纠缠光子源的波长相同。[0026]此外，Sagnac环中的半波片优选为真零阶半波片，因为真零阶半波片比较薄，该半波片对光路影响较小，通过调节该半波片的角度可以制备任意参数的双光子Werner态。[0027]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。[0028]1、去极化信道[0029]图2为本发明提出的去极化信道的一个实施例的原理示意图。如图2所示，本发明的去极化信道包括PBS15、第一反射镜16、第二反射镜17、第三反射镜19、第一半波片18、YVO4晶体20、第二半波片21、LiNb03晶体22和BS23组成。第一半波片18设置于第二反射镜17和第三反射镜19之间。YV〇4晶体20和LiNbO3晶体22的切割角分别为0度和45度。第二半波片21设置于YV〇4晶体20和LiNbO3晶体22之间。[0030]在该实施例中，第一反射镜16、第二反射镜17和第三反射镜19均为镀宽带介质膜的的平面反射镜，其波长范围为750-1100nm。三片反射镜的规格均为025.4咖10[0031]而第一半波片18是放置在第二反射镜17和第三反射镜19中间的780nm真零阶半波片。[0032]在该实施例中，YV〇4晶体20和LiNbO3晶体22的规格大小分别为为8X8X1.02mm和8X8X8.98mm，其中YV〇4晶体20的切割角为0度;LiNbO3晶体22的切割角为45度。这里，YVO^体和LiNbO3晶体的工作波长和对应具体切割角度的定义与公知的定义相同。[0033]而第二半波片21是放置在YV〇4晶体20和LiNbO3晶体22中间的780nm胶合零阶半波片。[0034]在该实施例中，非线性晶体的自发参量下转换产生的纠缠态的一路进入Sagnac环，经过Sagnac环的光子分为两路，一路光子经过完全消相位通道，另一路光子不做任何操作，两路光子在BS23上重合。[0035]经过YVO4晶体20后，下转换光束H偏振光和V偏振光的波包会在空间、时间上分开，经过设置在22.5度的半波片21，H偏振光和V偏振光会变为D偏振光和A偏振光，再经过LiNbO3晶体22后，D偏振光和A偏振光的H偏振光和V偏振光成分的波包也会在空间、时间上分开。[0036]值得注意的是，在实际应用时，制作本发明的Sagnac环中的三个反射镜要放置紧密，且要求两个反射镜之间的半波片为真零阶波片。如果Sagnac环放置的过于松散，则对后面制备Werner态的性质有影响。[0037]2、包含去极化信道的纠缠光子源[0038]图3为本发明的包含可控的去极化信道的制备双光子Werner态的一个实施例的光路图。如图3所示，该光路包括一个激光器1、一个倍频系统2、一个透镜3、由第一晶体4、半波片5和第二晶体6组成的三明治型的晶体、两块空间补偿晶体7a、7b、两块时间补偿晶体8a、8b、两个检偏器9a、9b、两片干涉滤波片10a、10b、两个准直透镜13、14、一块I3BS15、三片反射镜16、17、19、一片半波片18、一块YV〇4晶体20、一片半波片21、一块LiNbO3晶体22、一块BS23、两个准直透镜lla、llb、两个单光子探测器12a、12b。[0039]激光器1、倍频系统2构成栗浦激光源。激光器1产生的栗浦激光首先经过倍频系统2,倍频后的栗浦激光入射到三明治结构的晶体4〜6上。[0040]该实施例中，激光器1采用锁模钛宝石激光器脉宽IOOfS，重复频率80MHz，中心波长780nm〇[0041]空间补偿晶体7a、7b和时间补偿晶体8a、8b用来补偿经过两块BBO晶体产生下转换光子在空间和时间上的不重合。经过补偿，晶体输出的量子态为[0042]再将下路光子经过准直透镜13耦合进光纤，经过准直透镜14发射。经过准直透镜14发射的光子经过由PBS15,反射镜16、17、19和半波片18组成的Sagnac环，经过Sagnac环的光子分成两路，一路光子经过由YVO4晶体20、半波片21、LiNb03晶体22组成的完全消相位通道，再和另一路光子在BS23上重合。[0043]把光子通过准直透镜lla、llb耦合到单模光纤测量之前，还需要放置检偏器9a、9b包括一个四分之一波片、一个半波片和一个PBS和干涉滤波片10a、10b。单光子探测器12a、12b为硅雪崩式光电二极管，探测效率〜65%，暗记数率为IOOiT1量级。测量数据时，单光子探测器12a、12b的符合窗口设为3ns，并且栗浦功率单道计数不宜太高，以保证随机符合计数可以忽略。经过上述装置输出量子态为PIΦ-ΧΦ-1+I-PIV4，（0HVI和IVVXVVI四项接近0.25，非对角项基本都为0，从图4h可知密度矩阵虚部均接近0，所以此时广生的态为完全混态。[0051]图5为不同参数P值的纠缠度和保真度的变化曲线图。其中，Ce3xt^PFe3xp分别是根据实验数据计算的纠缠度和保真度的值，Cldeal是没有考虑实验误差的理想状态下纠缠度随参数P值变化的曲线，Cthe3ci是考虑实验误差下纠缠度随参数P变化的曲线，Ff^是对保真度拟合的曲线。从图中可以看出随着P值增大纠缠度明显上升，但保真度并无明显变化，可以证明实验和理论的一致性。[0052]从图4〜图5中可以看出，利用本发明制备双光子Werner态的方法，我们获得了高保真度的双光子Werner态，并且随着参数p值的变换双光子Werner态的保真度并无明显下降。该高保真度的双光子Werner态已具备应用在诸如量子纠缠提纯、量子导引等领域的要求。[0053]4、该方案制备双光子Werner态的优点[0054]1本发明采用了量子纠缠光源制备和可控制去极化信道两个模块，集成度高、利于扩展。[0055]2本发明采用了可控的去极化信道，通过调节放置于Sagnac环中的半波片的角度，可以制备任意参数的双光子Werner态，调节方便。[0056]3本发明可以制备出高保真度的双光子Werner态，可以应用在量子导引等领域。[0057]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种简单可靠的制备任意Werner态的方法，包括纠缠光源的制备阶段和一个构建可控的去极化信道阶段，前者通过使用激光栗浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后者使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，其特征在于:该纠缠光源的制备阶段所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片;所述可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，其中Sagnac环由一块PBS，三片反射镜和一片半波片组成，所述Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置一片半波片;完全消相位通道由一块YVO4晶体，一块LiNbO3晶体以及一片放置在两块所述消相位晶体之间的半波片组成；态的叠加部分包含一块BS。2.如权利要求1所述的简单可靠的制备任意Werner态的方法，其特征在于，所述完全消相位通道的两块消相位晶体的光轴方向平行，并与半波片的快轴方向呈22.5度夹角。3.如权利要求1所述的简单可靠的制备任意Werner态的方法，其特征在于，所述YVO^l体的厚度为0.95〜1.02mm。4.如权利要求1所述的简单可靠的制备任意Werner态的方法，其特征在于，所述LiNb〇3晶体的厚度为5.09〜8.98mm。5.如权利要求1所述的简单可靠的制备任意Werner态的方法，其特征在于，所述LiNb〇3晶体厚度的79.7倍和YV〇4晶体厚度的214.7倍之差要大于203_。6.如权利要求1所述的简单可靠的制备任意Werner态的方法，其特征在于，所述半波片为真零阶半波片。7.如权利要求1所述的简单可靠的制备任意Werner态的方法，其特征在于，所述态的叠加是在Sagnac环出口处放置一块BS，其分别对所述通过非线性晶体产生的最大纠缠态和经过去极化信道产生的完全混态进行空间叠加。

百度查询： 南京邮电大学 一种简单可靠的制备任意Werner态的方法

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