[发明专利]一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置

说明书

本发明提供了一种制备两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置和方法，包括钛宝石激光器，反射镜，光学分束器，半波片，电光调制器，高频信号发生器，滤波器，透镜组，格兰激光棱镜，铯原子池，格兰汤姆森棱镜，光束收集器，平衡零拍探测器，加减法器，频谱分析仪。本发明装置可获得最大纠缠度为‑3.8dB的连续变量高阶轨道角动量纠缠态，并且该装置性能稳定，结构紧凑，可实现商业化生产。铯原子D₁线跃迁频率对应于砷化铟的量子点激子发射区域，本发明产生的对应于铯原子D₁线跃迁频率的两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态光源可用于基于原子和固态系统的相干界面研究以及量子精密测量等领域。

技术领域

本发明涉及轨道角动量纠缠光源领域，特别是涉及一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置。

背景技术

量子纠缠作为量子信息处理的基本资源，在量子通信网络和量子计算领域有潜在的应用前景。随着量子通信网络的不断扩大和量子计算复杂程度的不断提高，多维度、多组份以及多自由度纠缠态的研究引起越来越多的关注。轨道角动量(Orbital angularmomentum,OAM)作为一种特殊的自由度，其独特的空间结构和高维度特征能够大幅提高量子通信的信道容量和传输速率。利用轨道角动量光束作为不同的载波来复用和传输多个数据流，可以实现大容量、高速率的信息传输。将信息编码在轨道角动量维度进行量子信息交换，可以实现适用于信息匹配的量子接口。

1935年纠缠的概念首次提出之后，科研工作者开始了纠缠态光场的制备的研究。常用的系统是基于晶体二阶非线性效应的光学参量放大器(Optical ParametricAmplifier,OPA)。然而，光学参量振荡在阈值以上难以控制，主要受限于多个高阶横模要同时实现与光学腔的强耦合，因此该系统不容易获得高阶横模纠缠态光场。在碱金属原子中的双Λ型能级结构四波混频过程中，探针光和泵浦光之间角带宽较宽，并且其相对宽松(relaxed)的相位匹配条件和无腔限制的优势使得该系统可以用于实现多维度轨道角动量纠缠光束。同时，以原子为中继的量子信息过程要求纠缠态光场的频率、线宽等与原子跃迁精确匹配，基于非线性晶体产生的纠缠态光场带宽过宽，限制了其在该领域的应用。利用碱金属原子中的四波混频过程(Four-Wave Mixing,FWM)产生的纠缠态光场可以解决这一难题，实现光和原子高效相干相互作用。

在热原子系综中，大多研究集中于铷原子系综中的非简并四波混频过程。 2008年美国P.D.Lett小组利用铷原子的四波混频过程产生了具有局域纠缠 (4dB纠缠度)的空间多模孪生光束。2009年该小组利用类似装置获得了可控延迟的EPR纠缠光束。2016年Pooser等人利用半导体激光器泵浦的四波混频实现了一个扩展性强、易于小型化的EPR纠缠光源。2017年华东师范大学荆杰泰教授小组在铷原子中利用两个级联的四波混频过程将纠缠度提高到了6.8dB。2020年，该小组又在铷原子系综中同时产生了20组包含40种 Laguerre-Gauss(LG)模式的OAM多路复用的两组份纠缠态，展示了热碱金属原子系统丰富的纠缠结构，OAM复用的多组份纠缠为构建连续变量并行量子网络，实现并行量子信息协议开辟了道路。然而，目前为止，利用铯原子系综中非简并四波混频过程产生连续变量高阶轨道角动量纠缠态的报导很少。与铷原子相比，铯原子具有如下优势：基于其基态超精细分裂的铯原子钟是目前时间单位秒的标准，且其D1线对应的波长处于砷化铟量子点激子发射频率区域，有利于原子和固态相干界面的发展。

本发明克服现有技术限制，使用钛宝石激光器作为光源，利用铯原子系综中四波混频过程产生了对应于铯原子D1线最大纠缠度为-3.8dB的连续变量高阶轨道角动量纠缠态。由于该发明装置结构紧凑、系统性能稳定，易于操作，有望用于量子通信网络和量子计算领域的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种产生两组份连续变量高阶轨道角动量纠缠态的装置，所述装置包括：