一種偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于量子信息與光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以穩(wěn)定地產(chǎn)生高純 度偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子糾纏是指物理上可分離的多子系量子系統(tǒng)之間的非局域關(guān)聯(lián)，也就是對一個 子系統(tǒng)的測量結(jié)果無法獨立于其它子系統(tǒng)的測量參數(shù)。量子糾纏構(gòu)成了現(xiàn)代量子信息技術(shù) 中不可或缺的重要資源和信息載體。廣義的糾纏不僅在于多光子之間，還存在于同一個光 子的不同自由度之間。近年來單光子糾纏態(tài)在設(shè)計量子信息處理器件中具有潛在的應(yīng)用。 例如，單光子的雙量子糾纏比特已應(yīng)用于確定性密碼方案。Barreiro小組基于單光子自 旋-軌道糾纏態(tài)的分析，打破了線性超密集編碼的傳統(tǒng)極限。另外，基于物理特性的糾纏態(tài) 的光子源，在量子信息的各方面，如量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、量子計算等都起著重要 作用。構(gòu)成糾纏的粒子可以有很多種，如原子，離子等，但由于光子獨特的傳輸特性，糾纏光 子更適合于傳輸量子信息。
[0003] 光子間有多種自由度的糾纏例如偏振、頻率、動量和位置、還有光場的正交振幅和 位相分量等。這些豐富的自由度的研宄更多地認識了量子物理的本質(zhì)，也為量子信息技術(shù) 的編碼和解碼提供了方便。
[0004] 1992年，荷蘭萊頓大學(xué)的Allen團隊從理論上證明光子中含有確定的軌道角動量 炫。之后，光子的軌道角動量開始成為光學(xué)領(lǐng)域的一個研宄熱點。利用相位、偏振、頻率等量 子態(tài)來編碼，只能實現(xiàn)一個量子比特（qubit)編碼；而軌道角動量的量子數(shù)1在理論上允許 取任意整數(shù)，因此以光子軌道角動量作為信息的載體來編碼信息，能夠大大增加傳輸?shù)男?息容量，人們可以實現(xiàn)一個高維的希爾伯特空間中高維量子態(tài)（qudits)編碼，且具有更高 的保密性，這為單光子的多比特量子通信的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
[0005] 目前，具有光子軌道角動量的光子源產(chǎn)生方法主要有：a、模式轉(zhuǎn)換器法：由兩個 柱面透鏡構(gòu)成，包括相位轉(zhuǎn)換器和Ji/2相位轉(zhuǎn)換器，由高階厄米-高斯模獲得拉蓋 爾-高斯模，該方法轉(zhuǎn)換效率高，但同時對光學(xué)器件的加工精度要求也高，并且不易靈活控 制軌道角動量光束的種類和參數(shù)。b、螺旋相位片法：采用螺旋波帶板或全息光學(xué)轉(zhuǎn)換板將 高斯光束變換為拉蓋爾高斯光束，在這里螺旋波帶板或全息光學(xué)轉(zhuǎn)換板需要特殊加工，且 光束經(jīng)過這些光學(xué)元件變換損耗也較大。c、計算全息法：計算機全息相位片在有一束高斯 光入射時，衍射第一級將產(chǎn)生具有軌道角動量戊的拉蓋爾-高斯光束。如果將全息技術(shù)和 空間光調(diào)制器相關(guān)技術(shù)結(jié)合，會產(chǎn)生可編程化的衍射光柵，這種方法可以比較方便地調(diào)控 任意軌道角動量態(tài)，可是存在很嚴格的約束條件，而且隨光束階數(shù)升高所得光束就會嚴重 變形。
[0006] 單光子水平的軌道角動量態(tài)光束成為人們研宄的重要方向，然而上述方法均無法 有效的獲得單光子水平的軌道角動量態(tài)及軌道角動量糾纏態(tài)，意大利羅馬大學(xué)的Eleonora Nagali等人發(fā)現(xiàn)，利用液晶制作的一種非均勻各向異性的Q-plate可以巧妙的實現(xiàn)偏振態(tài) 向軌道角動量的轉(zhuǎn)化，從而在實驗上實現(xiàn)了偏振-軌道角動量雙光子混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生。 利用偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)，可以構(gòu)建一個更高維的希爾伯特空間，實現(xiàn)高維量子 態(tài)（qudits)編碼，這在量子信息領(lǐng)域，如量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、量子計算等都起著 重要作用，不僅可以增加量子信道的編解碼能力還可以提高信息的安全性。然而，Q-plate 在實際應(yīng)用中還存在一些問題。例如，由于器件材料性能的制約，光束在經(jīng)過Q-plate的作 用后，偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)和偏振態(tài)兩種不同性質(zhì)的量子態(tài)同時存在，從而獲得 的量子混合糾纏態(tài)的純度很低。如果使用這種純度不高的糾纏態(tài)進行量子通信和量子計算 將會導(dǎo)致信息失真，誤碼率變大。要想充分利用偏振_軌道角動量混合糾纏態(tài)的高維量子 糾纏特性，達到可信穩(wěn)定的量子通信、量子計算，需要改進現(xiàn)有攜帶軌道角動量的光子源產(chǎn) 生方法，采用混合糾纏態(tài)提純技術(shù)獲得高純度糾纏態(tài)。因此，提出新型光子源獲得高純度的 量子糾纏態(tài)是量子信息研宄中的重要課題。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型的目的在于為了解決以上的不足，提供了一種偏振-軌道角動量混合 糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生裝置，該裝置可穩(wěn)定地產(chǎn)生高純度偏振_軌道角動量混合糾纏態(tài)單光 子，且裝置成本低。
[0008] 為了實現(xiàn)本實用新型目的所采取的技術(shù)方案是：
[0009] 一種偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生裝置，包括依次連接的LD泵浦 源、光學(xué)耦合系統(tǒng)、激光諧振腔、光束調(diào)控單元、Q-plate轉(zhuǎn)化器和提純單元；所述LD泵浦源 用于產(chǎn)生泵浦光，所述光學(xué)耦合系統(tǒng)用于對所述泵浦光進行準(zhǔn)直和聚焦；所述激光諧振腔 用于提供反饋能量，選擇泵浦光的方向和頻率；所述光束調(diào)控單元用于對泵浦光進行調(diào)控， 以輸出水平偏振單光子；所述Q-plate轉(zhuǎn)化器用于將所述水平偏振單光子轉(zhuǎn)化為偏振-軌 道角動量混合糾纏態(tài)單光子；所述提純單元用于對偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子進 行提純；所述光學(xué)耦合系統(tǒng)包括依次連接的第一球面透鏡和第二球面透鏡；所述激光諧振 腔包括依次連接的激光諧振腔輸入端鏡、激光增益介質(zhì)和激光諧振腔輸出端鏡，所述激光 增益介質(zhì)是激光晶體；所述光束調(diào)控單元包括依次連接的諧波非線性晶體、波片組和衰減 器；所述提純單元包括第一分束器，所述第一分束器將通過其的單光子分為第一光束和第 二光束；所述第一光束所在路徑上依次設(shè)有第一達夫棱鏡和第一全反射鏡；所述第二光束 所在路徑上依次設(shè)有第二全反射鏡和第二達夫棱鏡；所述第一光束和第二光束的交匯處設(shè) 有第二分束器。
[0010] 其中所述的第一球面透鏡用于對泵浦光進行準(zhǔn)直，所述第二球面透鏡用于對泵浦 光進行聚焦。激光諧振腔用于提供反饋能量，選擇光波的方向和頻率。所述激光諧振腔輸入 端鏡和激光諧振腔輸出端鏡用來使激光增益介質(zhì)的受激輻射連續(xù)進行、不斷給光子加速、 限制激光輸出的方向。激光晶體能實現(xiàn)能級躍迀，具有閾值低和具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，可使 該裝置可連續(xù)和高重復(fù)率的工作。
[0011] 進一步地，所述諧波非線性晶體包括透鏡和倍頻晶體；所述波片組包括A/4波片 和X/2波片。
[0012] 其中A表示波長；諧波非線性晶體用于對光束的波長進行調(diào)控，輸出所需要波長 的激光。波片組用于對激光進行整形調(diào)控輸出水平偏振光。所述衰減器用于對激光進行強 衰減，從而獲得水平偏振單光子。
[0013] 進一步地，所述第一達夫棱鏡和第二達夫棱鏡相對設(shè)置，且在空間上具有夾角。
[0014] 其中第一全反射鏡和第二全反射鏡均為鍍有高反膜的全反射鏡。
[0015] 進一步地，所述Q-plate轉(zhuǎn)化器為Pancharatnam-Berry相位板，其由單軸雙折射 向列液晶材料制成，用于將衰減器輸出的水平偏振單光子轉(zhuǎn)化為偏振-軌道角動量混合糾 纏態(tài)單光子。
[0016] 進一步地，所述第一分束器的分束比為50 :50,所述第二分束器的分束比為50 : 50〇
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果在于：
[0018] 1、本實用新型的產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；通過利用激光增益介質(zhì)具有閾值 低和具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，使該裝置可連續(xù)和高重復(fù)率的工作、利用Q-plate的轉(zhuǎn)化作用 產(chǎn)生偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)，然后結(jié)合達夫棱鏡的提純特性，實現(xiàn)了可穩(wěn)定地產(chǎn)生 高純度偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子，使高純度偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)的高 維量子糾纏特性得以充分利用；
[0019] 2、本實用新型中用單光子的混合糾纏態(tài)進行編解碼調(diào)制，提高了通信碼率并降低 了誤碼率，增強了系統(tǒng)的安全性；
[0020] 3、本實用新型中用軌道角動量，可以攜帶更多的信息，可以實現(xiàn)高維量子態(tài)編 碼；
[0021] 4、本實用新型能夠產(chǎn)生高純度的偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)，使用這種高純度 混合糾纏態(tài)進行量子通信和量子計算誤碼率低，而且受工作條件限制和不可避免的環(huán)境噪 聲的影響很小。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本實用新型的偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0023] 圖2是本實用新型中提純單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3是圖2對應(yīng)的等效圖。
【具體實施方式】
[0025] 以下結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進一步說明：
[0026] 參照附圖1和附圖3所示，一種偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子的產(chǎn)生裝置， 包括依次連接的LD泵浦源1、光學(xué)耦合系統(tǒng)2、激光諧振腔3、光束調(diào)控單元4、Q-plate轉(zhuǎn) 化器5和提純單元6。
[0027]所述LD泵浦源1用于產(chǎn)生泵浦光，通過光學(xué)耦合系統(tǒng)2來泵浦激光諧振腔3中的 激光增益介質(zhì)31，作為系統(tǒng)的輸入信號。所述光學(xué)耦合系統(tǒng)2用于對泵浦光進行準(zhǔn)直和聚 焦。所述激光諧振腔3與光學(xué)耦合系統(tǒng)2連接，用于提供反饋能量，選擇泵浦光的方向和頻 率。所述光束調(diào)控單元4與所述激光諧振腔3連接，用于對光束進行調(diào)控輸出所需要的水 平偏振單光子。所述Q-plate轉(zhuǎn)化器5與光束調(diào)控單元4連接，用于將光束調(diào)控單元4中 的衰減器42輸出的水平偏振單光子轉(zhuǎn)化為偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子。所述提 純單元6與Q-plate轉(zhuǎn)化器5連接，用于對偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)進行提純，從而可 穩(wěn)定地獲得高純度的偏振-軌道角動量混合糾纏態(tài)單光子。
[0028] 其中光學(xué)耦合系統(tǒng)2包括依次連接的第一球面透鏡和第二球面透鏡。所述第一球 面透鏡對光束進行準(zhǔn)直，經(jīng)過準(zhǔn)直后的光束到達第二球面透鏡，第二球面透鏡對光束進行 聚焦。<