[发明专利]一种连续变量量子纠缠源产生装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续变量非经典光场的产生装置，具体是一种连续变量量子纠缠态光场产生装置。

背景技术

量子信息学是信息科学和量子力学相结合而形成的新兴交叉学科，主要包括量子计算和量子通信。量子通信又主要包括量子离物传态、量子密码术和量子密集编码等。由于量子纠缠源的独特性质，使量子信息在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面具有突破现有经典信息系统极限的能力。

量子纠缠源是量子通信和量子计算的核心，实现连续变量量子信息最重要的关键和难点是制备稳定高效的连续变量量子纠缠态光源。

目前为止，产生连续变量量子纠缠源最普遍的方法是用单频激光器泵浦光学参量振荡器，经非线性过程产生非经典光场。1992年，美国的Kimble小组用II类相位匹配的KTP晶体作为光学参量振荡腔的非线性介质，通过非兼并光学参量放大过程，获得两束偏振正交的压缩态光场——纠缠光束。1998年，他们利用阈值以下简并光学参量过程产生两束频率简并的正交位相压缩光，通过50％分束镜耦合获得了连续变量量子纠缠光束。2000年，山西大学光电研究所采用单频双波长的Nd:YAP/KTP激光器泵浦用II类相位匹配的KTP晶体作为非线性介质的光学参量放大器，当光学参量放大器运转于放大状态时，得到正交振幅正关联、正交位相反关联的明亮纠缠光束。

但是，上述工作都处在实验室阶段。目前为止，并没有相关的样机和商业化的连续变量量子纠缠源产品。其主要原因在于连续变量量子纠缠源对控制系统的要求较高，例如纠缠源系统中光学参量振荡腔的锁定、泵浦所用单频激光器的稳频等过程等都需要人工操作。因此，上述连续变量量子纠缠源不具备易操作性和可靠性。制约了连续变量量子纠缠源从实验室走向稳定可靠的产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、稳定可靠的连续变量量子纠缠源产生装置。

本发明设计的一种连续变量量子纠缠源产生装置，包括单频激光器、光学参量放大器、贝尔态直接探测系统、底板和光学参量放大器锁定系统组成；所述的纠缠源产生装置所用的光学元件均固定在底板上，底板由形变系数较小的材料充当，该设计减轻了环境变化对纠缠源的影响，改善了纠缠源的稳定性和可靠性；所述的光学参量放大器锁定系统由扫描、锁定阈值设定、比较、锁定四个单元组成，其中扫描单元由信号源、计数器、数字电位器和高压直流放大器组成，锁定阈值设定单元由电压基准、波段开关、第一电压跟随器、电位器和第二电压跟随器组成，锁定单元由PID电路和高压直流放大器组成；所述的光学参量放大器锁定系统中，扫描单元的输出端经高压放大器与光学参量放大器上的压电陶瓷相连，光学参量放大器输出的光信号入射到光电探测器中，光电探测器输出的直流信号经第三电压跟随器与比较单元的正向输入端相连；扫描单元的输出端与比较单元的正向输入端相连；所述的光学参量放大器锁定系统中，锁定阈值设定单元的输出端与比较单元的负向输入端相连；所述的光学参量放大器锁定系统中，比较单元的输出端经第二电子开关与锁定单元相连。

扫描单元通过驱动光学参量放大器上的压电陶瓷来搜索光学参量放大器的共振点。越接近共振点，光学参量放大器输出的光信号越强，远离共振点时，光学参量放大器输出的光信号变弱。光学参量放大器的输出光经光电探测器后转换为电信号，将光电探测器输出的电信号与锁定阈值设定比较，来决定锁定系统下一步的动作。当光电探测器信号小于锁定阈值设定时，扫描单元继续扫描，锁定单元处于扫描状态。当该光电探测器信号大于锁定阈值设定时，扫描单元停止扫描，锁定单元自动切换到锁定状态。在纠缠源系统调试的最后阶段，要根据光学参量放大器注入光功率的大小和光电探测器的光电转换效率来调节锁定阈值设定值的大小。根据比较器输出电平的高低控制电子开关的工作状态，由电子开关决定PID电路的工作状态。当光电探测器输出信号小于锁定阈值的设定值时，比较器输出低电平，电子开关控制PID电路工作在监视状态。当光电探测器输出信号大于锁定阈值的设定值时，比较器输出高电平，电子开关控制PID电路工作在锁定状态。

所述的光学参量放大器中的非线性介质为II类非临界相位匹配的非线性晶体。利用单频激光器输出的倍频光作为泵浦源，基频光作为注入种子光，泵浦运转于阈值以下的光学参量放大器，得到频率简并，偏振垂直的双模压缩态光场。经偏振分束器分束后，可直接得到纠缠光源。

所述的纠缠源底板由精密数控机床一次加工成型。这种设计减小了机械加工误差对纠缠源纠缠特性的影响，为连续变量量子纠缠源产品化、批量生产提供了条件。