專(zhuān)利名稱(chēng)：一種連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子信息領(lǐng)域的糾纏態(tài)產(chǎn)生裝置，具體涉及一種連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生裝置，更具體地說(shuō)是一種產(chǎn)生多對(duì)連續(xù)變量高階橫模糾纏態(tài)的裝置。
背景技術(shù)：
糾纏態(tài)作為量子信息科學(xué)中重要的資源，被廣泛應(yīng)用到量子離物傳態(tài)、量子計(jì)算和量子密鑰分發(fā)等領(lǐng)域，它保證了量子信息的通訊和處理更為有效和安全。在此之前相關(guān)的研究工作有 I. 2005年,蘇小龍等人在Phys. Rev. Lett上發(fā)表了題為“連續(xù)變量四組份cluster和GHZ糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生”的文章，該工作利用多對(duì)兩組份糾纏態(tài)，通過(guò)在分束器上線(xiàn)性耦合，產(chǎn)生了 4組份糾纏態(tài)。'2. Matthew Pysher等人發(fā)在Phys. Rev. Lett上發(fā)表了題為“四組份頻率梳糾纏態(tài)的產(chǎn)生”的文章，該工作利用特殊構(gòu)造的PPKTP晶體產(chǎn)生多對(duì)頻率梳糾纏態(tài)。3. A. S. Coelho等人在Science發(fā)表了題為“三色糾纏”的文章，他們將KTP晶體冷卻到零下23度時(shí)，利用OPO過(guò)程產(chǎn)生了三組份糾纏態(tài)。4. M. Lassen等人在Phys. Rev. Lett上發(fā)表了題為“連續(xù)變量軌道角動(dòng)量壓縮和糾纏態(tài)”的文章，他們利用一類(lèi)OPO過(guò)程，產(chǎn)生了同時(shí)HGOl和HGlO模的壓縮光。上述第一篇文章中，對(duì)于多組分糾纏的產(chǎn)生必須用到多個(gè)對(duì)于多組分糾纏態(tài)的產(chǎn)生一般采用多對(duì)兩組份糾纏的線(xiàn)性干涉的方式產(chǎn)生，這樣要得到多組份糾纏態(tài)則需要多個(gè)OPO的參與，這種情況下，多組分糾纏態(tài)的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)裝置變得龐大和復(fù)雜。第二篇文章中，是通過(guò)一個(gè)OPO腔產(chǎn)生頻率梳式的多對(duì)糾纏態(tài)，實(shí)驗(yàn)裝置也較為簡(jiǎn)單，只是基橫模、一種類(lèi)型的糾纏態(tài)。第三篇文章中，只是實(shí)現(xiàn)了基橫模三組份糾纏的產(chǎn)生，要求系統(tǒng)工作在溫度為零下23度時(shí)。上述三篇文章都是一般的基橫模糾纏，都未涉及到軌道角動(dòng)量糾纏。第四篇文章中，只給出一種產(chǎn)生多模壓縮的實(shí)驗(yàn)裝置，未能產(chǎn)生多組份糾纏態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
基于背景技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操控的連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生裝置，該裝置可以通過(guò)單個(gè)OPO裝置同時(shí)產(chǎn)生多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變量多組份糾纏、這種糾纏態(tài)亦是同時(shí)具有軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量糾纏的超糾纏態(tài)。本發(fā)明首先提供一種高階橫模像散補(bǔ)償裝置，依次包括第一雙折射晶體(10)、半波片(11)和第二雙折射晶體(12)，它們共軸設(shè)置，所述的第一雙折射晶體(10)與第二雙折射晶體(12)的晶軸夾角為90度，第一雙折射晶體(10)與半波片(11)的晶軸夾角為45度。本發(fā)明提供的一種連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生裝置，包括非線(xiàn)性晶體，所述的非線(xiàn)性晶體用上述高階橫模像散補(bǔ)償裝置代替。一種產(chǎn)生多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)的方法，是將高階橫模注入到上述連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生裝置中，并將該裝置鎖定在注入的高階橫模上。
基于高階橫模的正交性，一束光上可以同時(shí)存在多個(gè)高階橫模，他們之間相互獨(dú)立、互不影響。對(duì)于厄米高斯模HGmn模來(lái)說(shuō)，只要m+n的值相同，則這些模就可以在同一個(gè)光學(xué)腔中共振。例如當(dāng)m+n=4時(shí)，HG04、HG13、HG22、HG31和HG40?？梢酝瑫r(shí)在一個(gè)光學(xué)腔中共振。這種情況下，當(dāng)HGOO模的泵浦場(chǎng)泵浦具有二類(lèi)非線(xiàn)性晶體的光學(xué)腔，且腔與HGmn模共振時(shí)，經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性相互作用，最后光學(xué)腔可以產(chǎn)生輸出多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)，例如m+n=4 時(shí)，HG04、HG13、HG22、HG31 和 HG40 模同時(shí)糾纏。本發(fā)明設(shè)計(jì)的連續(xù)變量多組份糾纏的產(chǎn)生裝置與已報(bào)道的同類(lèi)糾纏產(chǎn)生裝置相比有以下優(yōu)點(diǎn)I.裝置簡(jiǎn)單，易于操控，實(shí)用性強(qiáng)。

2.通過(guò)單個(gè)OPO可以同時(shí)產(chǎn)生多對(duì)連續(xù)變量糾纏態(tài)，理論上可以無(wú)限擴(kuò)展到N組份。3.高階橫模的糾纏態(tài)，其應(yīng)用更加廣泛，例如空間測(cè)量，圖像處理等。4.這種糾纏態(tài)亦是同時(shí)具有軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量糾纏的超糾纏態(tài)?？梢杂糜诹孔油ㄓ嵵杏糜谔岣咝诺赖娜萘俊?br>

圖I是高階橫模像散補(bǔ)償裝置示意2是多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)產(chǎn)生裝置示意3兩對(duì)糾纏態(tài)(HG01模和HGlO模)產(chǎn)生裝置示意4兩對(duì)糾纏態(tài)(HG01模和HGlO模)產(chǎn)生結(jié)果圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明圖I是高階橫模像散補(bǔ)償裝置示意圖。首先將一對(duì)相同長(zhǎng)度，相同類(lèi)型的第一雙折射晶體10和第二雙折射晶體12，以90度相對(duì)旋轉(zhuǎn)放置，其中x、y和z為晶體的晶軸。然后，將半波片11插入到兩晶體10和12之間，半波片11相對(duì)于第一雙折射晶體10晶軸的角度為45度。其中，Cl和C2為波片11的晶軸方向(圖lb)。假如分別有兩束不同偏振(el和e2)的HGmn模光束通過(guò)本裝置其Gouy相位對(duì)于el偏振光為_(kāi)el ^ (m + n+ 1)(^ +#f),對(duì)于2偏振光為e #e2 二 (m + n + \)(0f +0f) 4人上式中可以看出，通過(guò)上述方法，對(duì)于偏振相同的所有m+n值相同的高階模的Gouy相位相同，達(dá)到晶體雙折射效應(yīng)引起的高階模像散的補(bǔ)償，使他們可以在同一光學(xué)腔中同時(shí)共振輸出。再將兩塊晶體分別控溫，通過(guò)調(diào)節(jié)晶體的溫度則可以使Oel = 從而補(bǔ)償任意偏振的高階模像散。圖2是多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)產(chǎn)生裝置示意圖，高階橫模HGmn模5作為注入場(chǎng)以45度線(xiàn)偏振輸入到OPO中，其中OPO腔由輸入平凹鏡I和輸出平凹鏡3構(gòu)成，輸出平凹鏡3為糾纏態(tài)的輸出鏡，OPO腔中放置高階橫模像散補(bǔ)償裝置2，OPO泵浦場(chǎng)4為HGOO模，其頻率為注入場(chǎng)的兩倍，當(dāng)腔鎖定到注入場(chǎng)5上時(shí)，OPO產(chǎn)生包含有多對(duì)高階模的糾纏的輸出場(chǎng)6。圖3為兩對(duì)糾纏態(tài)(HG01模和HGlO模)產(chǎn)生裝置示意圖，包括單頻雙波長(zhǎng)(540nm和1080nm)輸出激光器(LASER)，用于模式轉(zhuǎn)化的模式轉(zhuǎn)換器(MCR)，HGOl模5作為OPO的注入場(chǎng)，半波片6用于調(diào)節(jié)注入場(chǎng)偏振，輸入平凹鏡I (HR@540nm&1080nm)和輸出平凹鏡3(T=4. 24%il080nm, ARi540nm)構(gòu)成的OPO腔，平凹鏡的曲率半徑為R=30mm，高階橫模像散補(bǔ)償裝置2中雙折射晶體為非線(xiàn)性晶體KTP，540nm的HGOO模泵浦場(chǎng)4，用于鎖定泵浦場(chǎng)4與注入場(chǎng)5相對(duì)相位的壓電陶瓷9。當(dāng)泵浦場(chǎng)4功率為300mW，OPO腔鎖定到注入場(chǎng)HGOl模上且壓電陶瓷9鎖定到時(shí)，OPO腔可以輸出HGOl模糾纏態(tài)7和HGlO模糾纏態(tài)8，最后通過(guò)平衡零拍裝置(BHD)探測(cè)。在分析頻率5MHz處測(cè)量結(jié)果如圖4所示，圖中黑線(xiàn)為散粒噪聲基準(zhǔn)(SNL)，其中，(al)HGOl模振幅關(guān)聯(lián)噪聲，其中紅線(xiàn)為振幅和關(guān)聯(lián)噪聲，藍(lán)線(xiàn)為振幅差關(guān)聯(lián)噪聲，可以看出，HGOl模之間具有0. 56dB的振幅和壓縮和I. 2dB的振幅差反壓縮。(bl) HGOl模位相關(guān)聯(lián)噪聲，其中紅線(xiàn)為位相差關(guān)聯(lián)噪聲，藍(lán)線(xiàn)為相位和關(guān)聯(lián)噪聲，可以看出，HGOl模糾纏且HGOl模之間具有0. 76dB的位相差壓縮和I. 17dB的位相和反壓縮。(a2) HGlO模振幅關(guān)聯(lián)噪聲，其中紅線(xiàn)為振幅和關(guān)聯(lián)噪聲，藍(lán)線(xiàn)為振幅差關(guān)聯(lián)噪聲，可以看出，HGlO模之間具有0. 68dB的振幅和壓縮和I. 13dB的振幅差反壓縮。(b2)HG10模位相關(guān)聯(lián)噪聲，其中紅線(xiàn)為位相差關(guān)聯(lián)噪聲，藍(lán)線(xiàn)為相位和關(guān)聯(lián)噪聲，可以看出，HGlO模糾纏且HGlO模之間具有0. 91dB的位相差壓縮和I. 40dB的位相和反壓縮。結(jié)果表明，同時(shí)產(chǎn)生了HGOl模和HGlO模的糾纏態(tài)。而且此光場(chǎng)為連續(xù)變量超糾纏態(tài)，其同時(shí)具有光場(chǎng)自旋角動(dòng)量(偏振之間)糾纏和軌道角動(dòng)量(LG模之間)糾纏。 實(shí)施方式僅是典型討論了通過(guò)本發(fā)明如何同時(shí)產(chǎn)生HGOl和HGlO模的糾纏態(tài)。本發(fā)明可以擴(kuò)展到各種波長(zhǎng)和各種高階橫模的糾纏態(tài)的產(chǎn)生。本發(fā)明的核心是利用高階橫模 的空間正交性及非線(xiàn)性過(guò)程中的角動(dòng)量守恒原理，達(dá)到多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)的同時(shí)產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種高階橫模像散補(bǔ)償裝置，其特征在于，依次包括第一雙折射晶體(10)、半波片(11)和第二雙折射晶體(12)，它們共軸設(shè)置，所述的第一雙折射晶體(10)與第二雙折射晶體(12)的晶軸夾角為90度，第一雙折射晶體(10)與半波片(11)的晶軸夾角為45度。
2.一種連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生裝置，包括非線(xiàn)性晶體，其特征在于，所述的非線(xiàn)性晶體用權(quán)利要求I所述的高階橫模像散補(bǔ)償裝置代替。
3.—種產(chǎn)生多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)的方法，其特征在于，是將高階橫模注入到權(quán)利要求2所述的連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生裝置中，并將該裝置鎖定在注入的高階橫模上。
4.如權(quán)利要求3所述的一種產(chǎn)生多對(duì)高階橫模糾纏態(tài)的方法，其特征在于，所述的高階橫模是厄米高斯模。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種連續(xù)變量糾纏產(chǎn)生的裝置和方法，該裝置包括高階橫模像散補(bǔ)償裝置，通過(guò)彌補(bǔ)高階橫模的像散效應(yīng)，在單個(gè)OPO同時(shí)產(chǎn)生多對(duì)連續(xù)變量高階橫模糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變量多組份糾纏，這種糾纏態(tài)亦是同時(shí)具有軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量糾纏的超糾纏態(tài)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操控，實(shí)用性強(qiáng)，可以用于空間測(cè)量，圖像處理和量子通訊中。
文檔編號(hào)G02F1/35GK102707540SQ20121018576
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者劉奎, 崔淑珍, 張俊香, 郜江瑞 申請(qǐng)人:山西大學(xué)