一種窄線寬高維度量子糾纏光源產生裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及量子通信領域，尤其涉及一種窄線寬高維度量子糾纏光源產生裝置。
【背景技術】
[0002]在量子通信領域中，實現量子網絡是一個重要的目標，量子網絡的構建主要包含了以下幾個部分:可以攜帶信息的量子光源，可以傳播信息的信道，可以儲存并發送信息的中繼，可以接收信息的終端。其中量子光源的設計是必不可少的環節，通常所說的量子光源包含了量子糾纏光源和單光子源，其中糾纏光源可以利用各種非線性晶體的參量下轉換過程產生，其保真度和產生效率都可以做得很高。
[0003]自發參量下轉換過程基于非線性過程，單色泵浦光子流和量子真空噪聲對非中心對稱非線性晶體的綜合作用，導致了在光的自發參量下轉換過程中，一個高頻光子在非線性晶體內會以某一概率自發地分裂為兩個低頻光子，分別稱為信號光子和閑置光子。參量下轉換過程應滿足能量守恒、動量守恒以及軌道角動量守恒，當條件合適時，產生的信號光子和閑置光子可以在頻率上簡并。由于晶體的雙折射導致不同偏振的光在晶體內的折射率不同，同時晶體的色散作用使得在某些晶體中可以滿足相位匹配條件，因而可以通過選擇適當的非線性晶體材料來實現自發參量下轉換。考慮到量子網絡包含基于各種物理系統的量子節點，它對量子光源的一個重要要求是光源可調諧且線寬較窄易于匹配。自發參量下轉換光源易于調諧，而壓窄線寬則通常采用諧振腔的方式實現。
[0004]光子作為一種非常優秀的量子信息的載體，它可以攜帶多種自由度的信息。比如偏振、相位、時間-能量糾纏、軌道角動量等。目前主要的糾纏光源是基于偏振維度的，然而軌道角動量自由度具有偏振自由度無法實現的高維度特性，下面簡單介紹這兩種糾纏光源:
[0005]1、偏振糾纏光源
[0006]參量下轉換過程在偏振維度上可以分為I型和II型兩種，其中I型信號光子和閑置光子偏振相同，II型信號光子和閑置光子偏振正交。
[0007]最常用的光源是采用非共線II型晶體，如BBO晶體(β -偏硼酸鋇晶體)，輸出光子對的偏振垂直，正對晶體看時光子的軌跡為兩相交圓環。由于能量以及動量守恒，共軛的光子對只會出現在兩圓環和泵浦激光中心對稱的兩個點上。因此收集相交兩點處的光子對就能得到偏振糾纏的光源。
[0008]對于共線II型晶體，由于信號光和閑散光的偏振正交，所以可以用偏振分束器將兩者分開，操作方便且亮度高，如PPKTP晶體(周期性極化磷酸氧鈦鉀晶體)，其亮度比傳統BBO晶體大約高出一個量級。
[0009]還有一種糾纏光子源可采用I型相位匹配，需要兩塊光軸方向互相垂直的I型晶體，其中第一塊晶體光軸和泵浦激光組成豎直平面，第二塊晶體光軸和泵浦激光組成水平平面。利用45°偏振的光泵浦晶體，同時收集到兩塊晶體的光即可得到偏振糾纏光源。但為使得能夠同時收集到兩塊晶體的光而不需要空間補償，晶體厚度必須很薄，并且和普通II型非共線糾纏光子源類似，只能收集到兩圓環上一小部分下轉換光子，因此亮度較低。
[0010]2、軌道角動量糾纏光源
[0011]軌道角動量自由度具有其獨特的優勢，它描述了光子波前的橫向分布，原則上具有不受限制的量子數，所以理論上可以是無窮維的。攜有軌道角動量的光子可以在柱坐標里用拉蓋爾-高斯模式(LGpl)來描述，其中，參數I表示角向量子數，參數P表示徑向量子數，這里只考慮P = O的情況。在光子的軌道角動量維度上，用LG模式來編碼光子，其本征態可以用角向量子數I來定義。在具有I角向量子數的光束中，每個光子攜帶的軌道角動量值為lh/2 ，參數h表示普朗克常數，而其中高斯模式可以看作LG,
[0012]對于利用非線性晶體的參量下轉換過程，根據角動量守恒定律，若入射的泵浦光的模式為高斯模，即軌道角動量為0，則下轉換產生的信號光子和閑置光子的軌道角動量的和也為0，此時兩光子可產生軌道角動量維度的糾纏，光子對態函數可用以下形式描述:
[0013]I φ) = C-」-1〉11〉+C01) I O〉+C1ID 1-1〉+…
[0014]這里|ci|2(i = -1,0,1)是產生的光子對相應態所對應的概率。理論上產生的糾纏可以是無窮維，但是若晶體的準相位匹配是按照高斯模式優化，高階分量隨階數增大而逐步減少，所以暫時將糾纏光源的維度限制在三維。更高維的糾纏光源可通過對高階分量優化準相位匹配來實現。
[0015]對光子的軌道角動量的操作有很多方法，如螺旋相位片、分叉光柵、數字微鏡陣列、空間光調制器等，其中，空間光調制器的使用相對方便簡單，它可在隨時間變化的電驅動信號或其他信號的控制下，改變空間上光分布的振幅、強度或相位，可以制作相位片和分叉光柵，甚至更復雜的圖形。

【發明內容】

[0016]本發明的目的是提供一種窄線寬高維度量子糾纏光源產生裝置，其擴展性較高，且易于與其它量子系統相互作用。
[0017]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0018]一種窄線寬高維度量子糾纏光源產生裝置，該裝置包括:泵浦激光單元、晶體單元、濾波單元以及收集分析單元，其中:
[0019]所述泵浦激光單元用于產生所述晶體單元的自發參量下轉換過程所需要的泵浦光;
[0020]所述晶體單元用于接收由所述泵浦激光單元射出的泵浦光并利用自發參量下轉換過程產生攜帶軌道角動量信息的高維度量子糾纏光源；
[0021]所述濾波單元用于濾除所述高維度量子糾纏光源中的泵浦光并壓窄所述高維度量子糾纏光源的線寬；
[0022]所述收集分析單元用于收集經所述濾波單元處理后的窄線寬高維度量子糾纏光源并測量所述窄線寬高維度量子糾纏光源的糾纏特性。
[0023]可選地，所述泵浦激光單元包括:連續激光器和倍頻器，其中:
[0024]所述連續激光器用于產生連續可調諧的激光；
[0025]所述倍頻器用于將所述連續激光器產生的激光進行倍頻處理，產生用于所述晶體單元自發參量下轉換過程所需要的泵浦光。
[0026]可選地，所述連續激光器為連續鈦寶石激光器。
[0027]可選地，所述晶體單元包括:PPKTP晶體和控溫裝置，其中:
[0028]所述PPKTP晶體用于基于所述泵浦激光單元射出的泵浦光，利用自發參量下轉換過程產生攜帶軌道角動量信息的高維度糾纏光子對的兩個偏振正交的下轉換光束，即高維度量子糾纏光源；
[0029]所述控溫裝置用于對于所述PPKTP晶體的溫度進行精細調節。
[0030]可選地，所述濾波單元包括:二向色鏡、濾波片和標準具組，其中:
[0031]所述二向色鏡用于將所述晶體單元中的PPKTP晶體產生的高維度量子糾纏光源與泵浦光分開；
[0032]所述濾波片用于進一步濾除所述高維度量子糾纏光源中的泵浦光；
[0033]所述標準具組用于在頻率域上濾除所述高維度量子糾纏光源中的泵浦光，同時壓窄所述高維度量子糾纏光源的線寬。
[0034]可選地，所述標準具組包括兩個標準具。
[0035]可選地，第一個標準具的透過線寬為700MHz，自由光譜程為50GHz，第二個標準具的透過線寬為1.5GHz，自由光譜程為105GHz。
[0036]可選地，所述收集分析單元包括:偏振分束器、第一空間光調制器、第二空間光調制器、第一可調節透鏡組、第二可調節透鏡組、第一單模光纖、第二單模光纖和單光子計數與符合裝置，其中:
[0037]所述偏振分束器用于將經所述濾波單元處理后的窄線寬高維度量子糾纏光源中偏振正