[发明专利]可拓展的多模式光量子干涉装置及其搭建方法

说明书

一种可拓展的多模式光量子干涉装置，所述多模式光量子干涉装置包括：输入光路阵列，用于将多个光束准直成等间距的水平平行光束阵列；多模式干涉网络，用于实现任意两个输入模式间全连通的干涉；立体输出光路，用于实现等光程的干涉信号收集；所述多模式光量子干涉装置用于使不同模式输入的光信号进行干涉以及对干涉信号进行收集。本发明提出的干涉装置同时利用空间自由度和偏振自由度，并具有可拓展性。利用立体光路结构，可满足更大规模的光量子干涉网络应用；干涉网络的整体透过率和实现的线性变换矩阵可以进行精确测试。

技术领域

本发明涉及量子信息与量子光学技术领域，尤其涉及一种光量子干涉装置及其搭建方法。

背景技术

光量子的干涉装置主要应用于实现不同模式输入光量子信号间的干涉。比如，单个模式输入光子信号的马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉装置或者萨格纳克(Sagnac)干涉装置能够实现单光子干涉，两个模式输入单光子的Hong-Ou-Mandel干涉装置，能够实现两个全同光子间的干涉。可拓展的多模式干涉装置能够实现对输入光量子态进行线性变换，在光量子计算，光学网络，光量子精密测量等发挥重要作用。

1994年，Reck等人证明利用2×2的分束器以及相位片作为基本元件，可以对输入量子态实现任意的幺正变换。例如利用两个分束比为50：50的分束器和相位构成的两模式马赫-曾德干涉仪，等效为一个任意分束比的分束器。采用多个这种级联的马赫-曾德干涉仪，能够构成具有多个模式的干涉仪。

对于多模式的干涉仪实现方法可分为两种，第一种是采用光学波导集成或者光纤干涉仪，通过微纳光学加工方法，这种干涉装置可以在衬底上集成很多马赫-曾德干涉仪，具有体积小、模式数多，易于调节等优点。但这种干涉装置损耗很大，随着模式数的增加，损耗也相应的增大。另一种方法是采用体光学方法，即采用自由空间搭建分离的基本元件构建干涉仪，这种干涉仪通过镀膜，具有高透过率的优点，但体积庞大，占用光学平台面积大。

光学损耗是光量子计算、量子精密测量等领域最重要的指标之一，因此目前对于中、大规模的多模式光学干涉，主要依赖于第二种方法。设计一种可拓展的多模式光量子干涉装置同时能够兼容现有商用光学平台面积的搭建方法是当前亟待解决的重要问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可拓展的多模式光量子干涉装置及其搭建方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种可拓展的多模式光量子干涉装置，所述多模式光量子干涉装置包括：

输入光路阵列，用于将多个光束准直成等间距的水平平行光束阵列；

多模式干涉网络，用于实现任意两个输入模式间全连通的干涉；

立体输出光路，用于实现等光程的干涉信号收集；

所述多模式光量子干涉装置用于使不同模式输入的光信号进行干涉以及对干涉信号进行收集。

其中，所述输入光路阵列包括：输入准直器、平面圆形反射镜、直角反射镜以及调整平台，其中，所述输入准直器通过单模光纤外接光源，输入光信号。

其中，所述多模式干涉网络包括：方形反射镜、熔融石英支撑件、三角形干涉仪、方形干涉仪、超低膨胀玻璃、水冷循环控温板以及隔振平板，其中，

所述方形反射镜镀45±5度入射的光学高反射膜，用于将所述的水平平行光束阵列转变为竖直传播；和/或

所述三角形干涉仪具有多层结构，能够使所述水平平行光束阵列中，每一个竖直列中的光束进行干涉，并将竖直入射的平行光束阵列的传播方向转变为水平方向传输；和/或

所述方形干涉仪具有多层结构，能够使所述平行光束阵列中，同一个水平面中的光束进行干涉；和/或