[发明专利]产生极化纠缠光子的紧凑系统

说明书

技术领域

本发明的系统涉及光学装置，并且具体地，涉及产生处于极化纠缠状态的光子的紧凑系统(compact system)。

背景技术

目前从材料科学到量子物理学领域中的新近的和有前途的进步被用于生成基于量子系统的新技术。特别地，某些量子系统可以用来编码和传输量子信息。仅包括由“|0>”和“|1>”表示的两个离散态的量子系统潜在地可以用于各种基于量子系统的应用，包括量子信息编码和处理、光量子光刻和计量学。通常来说，包括两个离散态的量子系统被称为“量子比特系统(qubit system)”，并且称为“量子比特基态(qubit basis state)”的状态|0>和|1>还可用集合符号表示为{|0>，|1>}。垂直和水平极化的光子是基于电磁辐射的双态量子系统的基态的例子。量子比特系统可存在于状态|0>、状态|1>或无穷大数目的同时包括|0>和|1>的状态中的任何一种状态，其作为状态的线性叠加在数学上可表示为：

|ψ>＝α|0>+β|1>

状态|ψ>称为“量子比特”，并且参数α和β是满足以下条件的复值系数：

|α|²+|β|²＝1

对量子系统进行测量在数学上等同于将量子系统的状态投影到其中一个基态上，并且通常来说，将量子系统的状态投影到基态上的概率等于与该基态相关的系数的平方。例如，当在基{|0>，|1>}中测量量子比特系统的状态|ψ>时，发现量子系统在状态|0>中的概率为|α|²并且发现量子系统在状态|1>中的概率为|β|²。

与量子比特系统相关的无穷大数目的纯态在几何学上可用称为“布洛赫球”的单位半径的三维球体来表示：

|ψ⟩=cos(θ2)|0⟩+eiφsin(θ2)|1⟩]]>

其中

0≤θ＜π，以及0≤φ＜2π。

图1示出了量子比特系统的布洛赫球表示。在图1中，线101-103分别是正交的x、y和z笛卡儿坐标轴，并且布洛赫球106以原点为中心。布洛赫球106上有无穷多点，每个点表示量子比特系统的唯一态(unique state)。例如，布洛赫球106上的点108表示同时包括一部分的状态|0>和一部分的状态|1>的量子比特系统的唯一态。然而，一旦在基{|0>，|1>}中测量量子比特系统的状态，那么将量子比特系统的状态投影到状态|0>110或状态|1>112上。

包括两个或更多个量子比特系统的系统的状态由量子比特的张量积表示，每个量子比特与其中一个量子比特系统相关。例如，考虑包括第一量子比特系统和第二量子比特系统的系统，其由以下状态表示：

|ψ>₁₂＝|ψ>₁|ψ>₂

其中第一量子比特系统的状态是：