一種連續變量多組份偏振糾纏光場的產生裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及非經典光場的產生裝置，具體是一種連續變量多組份偏振糾纏光場的 產生裝置。
【背景技術】
[0002] 量子糾纏是量子力學中的重要內容，也是實現量子信息、量子計算和量子計量的 重要資源。連續變量量子糾纏由于其決定性制備、以及測量效率高的優勢引起了研宄人員 的廣泛關注。隨著量子信息的發展，量子網絡成為了目前的研宄熱點，這對多組份糾纏光場 提出了要求。光由于傳播速度快，以及與周圍環境的相互作用弱，是量子信息傳播的理想載 體。原子由于其具有較好的相干性、可操控性，可以作為量子信息存儲和處理的網絡節點。 光場的偏振分量和原子的自旋分量相對應，都用斯托克斯矢量來描述，可以直接相互作用， 并且測量不需要本地振蕩光場，系統結構緊湊。因此，連續變量多組份偏振糾纏光場是量子 網絡發展的關鍵。它可以和量子網絡中的多個節點相作用，進而實現量子存儲。此外，它也 可以將光場的偏振態映射到原子的自旋態，使量子網絡中的不同節點之間建立糾纏特性， 進而在量子網絡中傳輸任意量子態，實現量子互聯網。
[0003] 目前，光學參量放大器是制備連續變量非經典光場的一種有效手段。在2002年， Ping Koy Lam 等人在 PHYSICAL REVIEW LETTERS 上發表了"Experimental Demonstration of Continuous Variable Polarization Entanglement" 的論文，該論文首先利用兩個由 LiNbO3晶體構成的光學參量放大器得到正交壓縮光場，然后利用一個光學分束片和兩個偏 振分束棱鏡組成的干涉系統得到連續變量兩組份偏振糾纏光場。
[0004] 上述文章中，他們得到了連續變量兩組份偏振糾纏光場。但是，上述文章的光場的 波長是l〇64nm，沒有對應的原子吸收線，實用化量子網絡要求多組份偏振糾纏光場的波長 與原子等物質的吸收線相匹配。其次，上述文章是兩束光場之間的偏振糾纏，量子網絡對多 束光場之間的偏振糾纏提出了要求。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種頻率可調諧，波長與原子吸收線對應的空間分離的多束 連續變量偏振糾纏光場。光場偏振分量和原子自旋分量可以直接相互作用，并且它的測量 系統不需要本地振蕩信號，可以用于量子網絡。
[0006] 本發明設計的一種連續變量多組份偏振糾纏光場的產生裝置，包括鈦寶石激光 器、二次諧波產生器、多個光學參量放大器、干涉系統和多套斯托克斯測量系統。所述的鈦 寶石激光器產生波長為λ ^ (該波長與銣原子吸收線相對應）的光場a(l，一部分激光作為多 個光學參量放大器的信號光場；另一部分激光注入二次諧波產生器得到波長為λ ρ= λ /2 的光場ap，作為多個光學參量放大器的泵浦光場；多個光學參量放大器分別產生多束波長 為λ ^的正交振幅或正交位相壓縮光場a i，a2,……，aN;干涉系統包括光學分束片干涉系統 和偏振分束棱鏡干涉系統，通過光學分束片干涉系統得到連續變量多組份正交糾纏光場， 再通過偏振分束棱鏡轉換為連續變量多組份偏振糾纏光場；利用斯托克斯測量系統對光場 的偏振分量進行測量，并且驗證糾纏特性；
[0007] 所述的光學參量放大器，包括光學諧振腔和非線性晶體，所述的光學諧振腔的輸 出耦合鏡的透過率為5-6%，所述的非線性晶體為PPKTP晶體；
[0008] 所述的光學分束片干涉系統由多個光學分束片（如三組份時2個、四組份時3個 光學分束片）組成，干涉光場的相對位相差精確控制與鎖定在〇或Pi/2 ;
[0009] 所述的偏振分束棱鏡干涉系統由多個偏振分束棱鏡組成，如3個、4個、6個、8個或 更多的偏振分束棱鏡組成，干涉光場的相對位相差精確控制與鎖定在〇或Pi/2。
[0010] 所述的鈦寶石激光器，具有高輸出功率、低噪聲特性，可以用于糾纏光場的制備， 并且具有頻率可調諧特性，可以鎖定在原子吸收線。
[0011] 所述的光學諧振腔采用由兩片凹鏡構成的駐波腔結構，或采用由兩片凹鏡和兩片 平鏡構成的四境環行腔結構。
[0012] 所述的光學參量放大器采用的晶體為PPKTP非線性晶體。在現有技術中光學參量 過程可以采用傳統的相位匹配晶體。澳大利亞研宄組的裝置使用了 LiNbO3晶體，實現了波 長1064nm的光場的非線性作用。LBO晶體常用于波長與銣原子Dl吸收線對應的（795nm) 的光場的非線性作用。該晶體熱效應不明顯，可以在高功率條件下使用，已經實現了效率 達80%的腔增強的二次諧波產生。但是它的有效非線性系數不高，為0. 75pm/V，其次由于 存在嚴重的走離效應，得到的光束質量不好，而且需要在高溫條件下運轉。近年發展起來的 周期極化技術，通過非線性光學系數的周期變化，實現準相位匹配，如PPLN晶體和PPKTP晶 體等。這種技術可以利用晶體的最大非線性系數，PPLN晶體的有效非線性系數達到17至 18pm/V，PPKTP晶體的有效非線性系數為7至9pm/V，并且在晶體透明波段的任何波長都可 通過這種技術實現非線性作用，以及可以有效地解決走離效應，得到好的光束質量。壓縮度 對光學參量放大器的損耗非常敏感，對損耗的要求很高。PPKTP晶體與PPLN晶體相比，優點 是較小的損耗適合用于非經典光場的制備，并且在室溫條件下運轉。雖然PPKTP晶體存在 熱效應，但是晶體適用于低泵浦功率的情況，熱效應并不明顯。綜上所述，利用PPKTP晶體 的光學參量放大器可以在低泵浦功率、常溫下穩定運轉得到波長為795nm的較高壓縮度、 較好光束質量的光場。
[0013] 所述的光學參量放大器的輸出耦合鏡的透過率為5-6%，如果該透過率過大，系統 的閾值功率將過高，如果該透過率過小，系統產生的光場的壓縮度將較小。因此，合適的輸 出耦合鏡透過率可以使光學參量放大器在低泵浦功率條件下穩定運轉，得到較高壓縮度的 光場。
[0014] 所述的斯托克斯測量系統由λ/2波片，λ/4波片，偏正分束棱鏡和功率加、減法 器組成。利用斯托克斯測量系統可實現對光場的4個偏振分量進行測量，即利用偏正分束 棱鏡和功率加法器對斯托克斯分量S tl進行測量，利用偏正分束棱鏡和功率減法器對斯托克 斯分量31進行測量，利用偏正分束棱鏡、λ /2波片和功率減法器對斯托克斯分量S 2進行測 量，利用偏正分束棱鏡、λ /4波片和功率減法器對斯托克斯分量S3進行測量。
[0015] 本發明設計的連續變