[发明专利]制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置及方法

权利要求书

1.一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置，其特征在于，包括激光器、第一非偏振分束器、直角棱镜、第二非偏振分束器、半波片、二向色镜、偏振分束器、偏振萨尼亚克干涉仪、第一长通滤波器和第二长通滤波器；其中，所述偏振萨尼亚克干涉仪的中心放置有第一磷酸钛钾晶体和第二磷酸钛钾晶体；

激光器发射的泵浦光经过第一非偏振分束器和直角棱镜后生成携带不同时间片段的两个光子的其中一个，所述光子经第二非偏振分束器传输到半波片，经半波片偏振处理后依次通过二向色镜和偏振分束器，偏振分束器将光子分为两束并从相反方向输入偏振萨尼亚克干涉仪，光子经过偏振萨尼亚克干涉仪中第一磷酸钛钾晶体和第二磷酸钛钾晶体构成的环路后返回偏振分束器，偏振分束器将返回的光子传输到第一长通滤波器和第二长通滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置，其特征在于，所述第一非偏振分束器和第二非偏振分束器均采用50:50的非偏振分束器。

3.根据权利要求1所述的一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置，其特征在于，所述半波片的预设角度为22.5°；每个光子与偏振分束器的参考系呈45°；第一磷酸钛钾晶体和第二磷酸钛钾晶体相对于光子的传播轴倾斜90°。

4.一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的方法，其特征在于，所述方法通过权利要求1所述的装置实现，包括如下步骤：

根据激光器发射的泵浦光，利用第一非偏振分束器和直角棱镜生成携带不同时间片段的两个光子的其中一个；

利用第二非偏振分束器和半波片对携带不同时间片段的两个光子的其中一个进行偏振处理，获得偏振后的光子；

利用二向色镜、偏振分束器和偏振萨尼亚克干涉仪处理偏振后的光子，在自发参数下转换过程产生频率、偏振、时间片段三个自由度纠缠的超纠缠光子对；

利用第一长通滤波器和第二长通滤波器对超纠缠光子对进行滤波处理，获得滤波后的超纠缠光子对。

5.根据权利要求4所述的一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的方法，其特征在于，设激光器产生的泵浦光为|H，则泵浦光通过第一非偏振分束器后的表达式为：

其中，|Ht₁表示不经过直角棱镜的光子，t₁表示|Ht₁携带的时间片段，|Ht₂表示经过直角棱镜的光子，t₂表示|Ht₂携带的时间片段。

6.根据权利要求4或5所述的一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的方法，其特征在于，偏振后的光子的获得方法为：

携带不同时间片段的两个光子的其中一个通过第二非偏振分束器后的表达式为：

其中，|Ht₁₂表示|Ht₁进入一条光路的光子，|Ht₂₂表示|Ht₂进入一条光路的光子，|Ht_1c表示|Ht₁进入另一条光路的光子，|Ht_2c表示|Ht₂进入另一条光路的光子；

利用半波片对通过第二非偏振分束器的光子进行偏振处理，获得偏振后的光子，偏振后的光子的表达式为：

其中，|Ht₁₃表示|Ht₁₂的水平偏振分量，|Vt₁₃表示|Ht₁₂的垂直偏振分量，|Ht₂₃表示|Ht₂₂的水平偏振分量，|Vt₂₃表示|Ht₂〉₂的垂直偏振分量。

7.根据权利要求6所述的一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的方法，其特征在于，在自发参数下转换过程产生频率、偏振、时间片段三个自由度纠缠的超纠缠光子对的具体操作如下：

通过二向色镜将偏振后的光子传输到偏振分束器；

利用偏振分束器将偏振后的光子分为两束，并分别从相反方向输入偏振萨尼亚克干涉仪；

偏振后的光子在偏振萨尼亚克干涉仪中经过第一磷酸钛钾晶体和第二磷酸钛钾晶体构成的环路，获得：

其中，|Ht₁〉₄表示|Ht₁〉₃经偏振分束器透射后的水平偏振分量，|Vt₁₅表示|Vt₁₃经偏振分束器反射后的垂直偏振分量，|Ht₂〉₄表示|Ht₂₃经偏振分束器透射后的水平偏振分量，|Vt₂₅表示|Vt₂₃经偏振分束器反射后的垂直偏振分量，|A_ω1、|A_ω2分别表示第一频率ω1和第二频率ω2下的反对角极化，|D_ω1、|D_ω2分别表示第一频率ω1和第二频率ω2下的对角极化，|H_ω1a表示|Ht₁₄或|Ht₂₄经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路a的携带第一频率ω1的水平偏振光子,|H_ω2a表示|Ht₁₄或|Ht₂₄经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路a的携带第二频率ω2的水平偏振光子，|H_ω1b表示|Vt₁₅或|Vt₂₅经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路b的携带第一频率ω1的水平偏振光子，|H_ω2b表示|Vt₁₅或|Vt₂₅经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路b的携带第二频率ω2的水平偏振光子，|V_ω1a表示|Vt₁₅或|Vt₂₅经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路a的携带第一频率ω1的垂直偏振光子，|V_ω2a表示|Vt₁₅或|Vt₂₅经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路a的携带第二频率ω2的垂直偏振光子，|V_ω1b表示|Ht₁₄或|Ht₂₄经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路b的携带第一频率ω1的垂直偏振光子，|V_ω2b表示|Ht₁₄或|Ht₂₄经过偏振萨尼亚克干涉仪之后再经过偏振分束器并进入光路b的携带第二频率ω2的垂直偏振光子；

利用偏振分束器将偏振萨尼亚克干涉仪返回的光子叠加在一起，获得频率、偏振、时间片段三个自由度纠缠的超纠缠光子对，超纠缠光子对的表达式为其中，|HV和|VH分别表示两个纠缠的光子的两种偏振状态。