[发明专利]一种简单可靠的制备任意Werner态的方法

说明书

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。

技术领域

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

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、表示、提取都离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。

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的泵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ω₁，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，即混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p|ψ-ψ-|+(1-p)I₄/4，其中I₄代表单位矩阵，p代表最大纠缠态所占比重，0≤p≤1。当p＝0时，该Werner态为完全混态；当p＝1时，该Werner态为最大纠缠态。

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：

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o→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，输出光子对是以泵浦光为中心的同心圆环。当泵浦光为垂直(水平)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。当泵浦光光子的偏振为45度时，其在第一块和第二块晶体中转换的概率相同。所以在圆环上与泵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