一種干涉儀及其產生亞自然線寬偏振糾纏光子對的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種干涉儀及其產生亞自然線寬偏振糾纏光子對的方法，尤其是一種馬赫-曾德爾干涉儀及其產生亞自然線寬偏振糾纏光子對的方法，屬于光子傳輸及存儲技術領域。
【背景技術】
[0002]光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是電磁輻射的載體，在量子場論中光子是傳遞電磁相互作用的媒介子，而在量子通信系統中，它被認為是理想的信息傳輸載體。但信道中的光子隨傳輸距離指數衰減限制了其通信的距離，遠距離的量子通信則需要利用基于量子存儲器的量子中繼，而量子存儲器能存儲的光子線寬不能大于自然線寬(兆赫茲量級)，因此亞自然線寬光子對源至關重要。
[0003]光子的偏振態，作為其一種內態，具有易于編碼和讀取，飛行過程中抗干擾能力強等優點，是飛行比特的一種理想的傳輸載體。
[0004]目前，常采用自發參量下轉換過程來產生偏振糾纏光子對，而自發參量下轉換過程產生的偏振糾纏光子對的線寬，仍然大于大部分原子躍迀的自然線寬，從而導致光子偏振態的儲存效率低下，難以用于量子儲存器中。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供一種結構簡單、操作方便、可行性強的干涉儀適用于遠距離的量子通信和量子存儲。
[0006]本發明的另一目的在于提供一種上述干涉儀產生亞自然線寬偏振糾纏光子對的方法，該方法產生的亞自然線寬偏振糾纏光子對。
[0007]本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0008]一種干涉儀，該干涉儀為馬赫-曾德爾干涉儀，其特征在于:包括真空系統、第一激光器、第二激光器、第三激光器、光電探測器、第一偏振分光棱鏡、第二偏振分光棱鏡、第一反射鏡以及第二反射鏡；所述真空系統的中心產生冷原子團，所述第一激光器用于產生參考光，所述第二激光器用于產生耦合光，所述第一激光器產生的參考光與第二激光器產生的耦合光均對準第一偏振分光棱鏡，且參考光的光路方向與耦合光的光路方向相互垂直；所述第三激光器用于產生泵浦光，且產生的泵浦光對準第二偏振分光棱鏡，所述光電探測器設置在第二偏振分光棱鏡合束的光路出射端并對光強進行探測；所述第一反射鏡設置在第一偏振分光棱鏡分束的其中一路光路中，所述第二反射鏡設置在第二偏振分光棱鏡分束的其中一路光路中，所述第一偏振分光棱鏡、第一反射鏡分別與第二偏振分光棱鏡、第二反射鏡關于真空系統對稱。
[0009]作為一種優選方案，還包括四個半波片和四個1/4波片，四個半波片分別為第一半波片、第二半波片、第三半波片以及第四半波片，四個1/4波片分別為第一 1/4波片、第二1/4波片、第三1/4波片以及第四1/4波片，所述第一半波片設置在第一激光器與第一偏振分光棱鏡的之間，所述第二半波片設置在第二激光器與第一偏振分光棱鏡之間，所述第三半波片設置在第三激光器與第二偏振分光棱鏡之間，所述第四半波片設置在光電探測器與第二偏振分光棱鏡之間，所述第一 1/4波片設置在第一偏振分光棱鏡與第一反射鏡之間，所述第二 1/4波片設置在第一偏振分光棱鏡與真空系統之間，所述第三1/4波片設置在第二偏振分光棱鏡與第二反射鏡之間，所述第四1/4波片設置在第二偏振分光棱鏡與真空系統之間。
[0010]作為一種優選方案，所述第一偏振分光棱鏡和第二偏振分光棱鏡作為光路分束器或光路合束器，所述第一反射鏡和第二反射鏡用于調整光路方向和相位補償。
[0011]作為一種優選方案，所述真空系統為真空腔。
[0012]作為一種優選方案，所述第一激光器、第二激光器和第三激光器均采用DL100半導體激光器。
[0013]本發明的另一目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0014]一種產生亞自然線寬偏振糾纏光子對的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0015]I)搭建真空系統，在真空系統的中心獲得冷原子團，并制備至四波混頻的基態；
[0016]2)第一激光器產生的參考光注入干涉儀中，先經過第一半波片，再經第一偏振分光棱鏡分成兩路，其中一路依次經過第一反射鏡、第二反射鏡后，與另一路一起經第二偏振分光棱鏡合成一路，進入光電探測器探測光強；根據光電探測器的信號，通過反饋電路控制壓電陶瓷來調整第一反射鏡和第二反射鏡的位置，穩定干涉儀兩路相位差；
[0017]3)第二激光器產生的親合光經過第二半波片，再經第一偏振分光棱鏡分成兩路，兩路光路分別經過第一 1/4波片和第二 1/4波片，與參考光重合，注入冷原子團中，這兩路光路與冷原子團的長軸形成小夾角；第三激光器產生的泵浦光經過第三半波片，再經第二偏振分光棱鏡分成兩路，兩路光路分別經過第三1/4波片和第四1/4波片，與耦合光相對入射，光路重合；
[0018]4)耦合光和泵浦光分別與冷原子團作用，形成四波混頻過程，發射出一個斯托克斯光子和一個反斯托克斯光子，根據四波混頻過程要滿足能量守恒、角動量守恒、動量守恒，成對產生的斯托克斯光子和反斯托克斯光子時間和頻率糾纏，偏振與親合光和泵浦光匹配；同時，耦合光與反斯托克光子形成的三能級電磁誘導透明效應，將壓窄所產生糾纏光子對的線寬，而得到亞自然線寬糾纏光子對；
[0019]5)當兩路耦合光和泵浦光同時存在時，調整干涉儀兩路的相位差，設置好耦合光和泵浦光的偏振，獲得所需亞自然線寬偏振糾纏光子對。
[0020]作為一種優選方案，步驟4)所述形成四波混頻過程，發射出一個斯托克斯光子和一個反斯托克斯光子，具體如下:
[0021]在冷原子團長軸方向，在泵浦光的作用下，使一個原子從原子基態躍迀到激發態，通過自發輻射發射一個斯托克斯單光子，原子回到另外一個基態，在耦合光的作用下，引起拉曼躍迀過程，原子立刻躍迀到另外一個激發態，并發射一個反斯托克斯光子。
[0022]作為一種優選方案，所述方法還包括:
[0023]在冷原子團擴散前，通過關閉第二激光器、第三激光器，停止發射耦合光和泵浦光，返回步驟I)進行下一次制備。
[0024]作為一種優選方案，所述冷原子團通過激光器產生冷卻光來獲得，且在步驟3)之前關閉該產生冷卻光的激光器，使冷原子團自由擴散，制造光子對產生窗口。
[0025]作為一種優選方案，產生冷卻光的激光器采用TA100半導體激光器。
[0026]本發明相對于現有技術具有如下的有益效果:
[0027]1、本發明的干涉儀為馬赫-曾德爾干涉儀，可以通過四波混頻過程產生光子對偏振糾纏，并且反斯托克斯光子線寬低于自然線寬，第一次產生了亞自然線寬偏振糾纏光子對，其適用于遠距離的量子通信和量子存儲，解決了現有技術光子偏振態的儲存效率低下，難以用于量子儲存器中的問題。
[0028]2、本發明干涉儀所產生的亞自然線寬偏振糾纏光子對，具有長的相干時間和可編碼的光子偏振態，是遠距離量子通信網絡中理想的飛行比特載體。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的干涉儀結構示意圖。
[0030]圖2為本發明的四波混頻能級示意圖。
[0031]其中，1-真空系統，2-第一激光器，3-第二激光器，4-第三激光器，5-光電探測器，6-第一偏振分光棱鏡，7-第二偏振分光棱鏡，8-第一反射鏡，9-第二反射鏡，10-第一半波片，11-第二半波片，12-第三半波片，13-第四半波片，14-第一 1/4波片，15-第二 1/4波片，16-第三1/4波片，17-第四1/4波片，18-冷原子團，19-泵浦光，20-基態，21-激發態，22-親合光，23-另外一個基態，24-另外一個激發態，25-斯托克斯光子，26-反斯托克斯光子。
【具體實施方式】
[0032]實施例1:
[0033]如圖1所示，本實施例的干涉儀為馬赫-曾德爾干涉儀，包括真空系統1、第一激光器2、第二激光器3、第三激光器4、光電探測器5、第一偏振分光棱鏡6、第二偏振分光棱鏡7、第一反射鏡8、第二反射鏡9、四個半波片以及四個1/4波片，四個半波片分別為第一半波片10、第二半波片11、第三半波片12以及第四半波片13，四個1/4波片分別為第一 1/4波片14、第二 1/4波片15、第三1/4波片16以及第四1/4波片17 ；
[0034]所述真空系統I的中心產生冷原子團18，所述第一偏振分光棱鏡6和第二偏振分光棱鏡7作為光路分束器或光路合束器；所述第一激光器2用于產生參考光，所述第二激光器3用于產生親合光，所述第一激光器2產生的參考光與第二激光器3產生的親合光均對準第一偏振分光棱鏡6，且參考光的光路方向與耦合光的光路方向相互垂直；所述第三激光器4用于產生泵浦光，且產生的泵浦光對準第二偏振分光棱鏡7，所述光電探測器5設置在第二偏振分光棱鏡7合束的光路出射端并對光強進行探測；
[0035]所述第一反射鏡8設置在第一偏振分光棱鏡6分束的其中一路光路中，所述第二反射鏡9設置在第二偏振分光棱鏡7分束的其中一路光路中，第一反射鏡8和第二反射鏡9均用于調整光路方向和相位補償，所述第一偏振分光棱鏡6、第一反射鏡8分別與第二偏振分光棱鏡7、第二反射鏡9關于真空系統I對稱。
[0036]所述第一半波片10設置在第一激光器2與第一偏振分光棱鏡6的之間，所述第二半波片11設置在第二激光器3與第一偏振分光棱鏡6之間，所述第三半波片12設置在第三激光器4與第二偏振分光棱鏡7之間，所述第四半波片13設置在光電探測器5與第二偏振分光棱鏡7之間，所述第一 1/4波片14設置在第一偏振分光棱鏡6與第一反射鏡8之間，所述第二 1/4波片15設置在第一偏振分光棱鏡6與真空系統I之間，所述第三1/4波片16設置在第二偏振分光棱鏡7與第二