[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

说明书

本发明公开了一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置及方法，涉及纠缠源制备技术。所述装置包括激光器、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；所述方法包括：将泵浦光通过非偏振分束器和直角棱镜产生携带时间片段的光子；再将光子通过半波片、萨尼亚克干涉仪等，使得其通过自发参量下转换过程最终产生偏振、频率、时间片段三个自由度纠缠的双光子，最后通过偏振分束器将其分为两路，分发给需要共享超纠缠光子对的通信双方。本发明能够利用光子的自发参量下转换过程制备超纠缠光子对，在未来的高维量子通信中将有重要的应用。

技术领域

本发明涉及一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置及方法，属于量子通信技术领域。

背景技术

量子纠缠是用于量子信息处理的有效资源，在近几十年里，量子纠缠已经在量子通信和量子计算中得到广泛应用，例如量子密码学、密集编码、量子隐形传态以及量子密钥分发等等。

由于光子的易操控和易制备的优点，纠缠光子对被人们广泛使用，而且人们可以利用光子的多个自由度(DOF)来编码量子纠缠，包括偏振、空间路径、轨道角动量、时间片段和频率等。这些DOF中的某些可以彼此独立地存在，从而可以同时纠缠一个以上的DOF，称为超纠缠。纠缠在多个DOF中的光子对可以携带更多的量子信息，从而使其对于高容量量子通信具有吸引力，因此越来越多的人开始研究超纠缠。1995年，Kwiat等利用自发参量下转换方法首次在实验上实现了两光子偏振纠缠Bell态的成功制备，随后的几年里，三光子以及多光子纠缠态的制备方案被Pan等相继提出。多光子纠缠态的研究对高维量子通信有着重要的意义。

发明内容

为了给量子通信提供高质量、高价值的纠缠光子源，本发明提出了一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置及方法，能够制备出偏振、频率、时间片段三个自由度的超纠缠光子对，在未来的高维量子通信中有重要的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出了一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的装置，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一个携带时间片段的光子，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。

结合第一方面，进一步的，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。

结合第一方面，进一步的，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°。

第二方面，本发明提出了一种制备偏振、频率、时间片段三自由度超纠缠的方法，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时间片段的光子，其中，根据泵浦光经过第一非偏振分束器和直角棱镜的光路不同，生成的光子携带的时间片段也不同；

利用第二非偏振分束器和半波片对携带时间片段的光子进行偏振处理，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。