专利名称：一种连续变量量子纠缠源产生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种连续变量非经典光场的产生装置，具体是一种连续变量量子纠缠态光场产生装置。
背景技术：
量子信息学是信息科学和量子力学相结合而形成的新兴交叉学科，主要包括量子计算和量子通信。量子通信又主要包括量子离物传态、量子密码术和量子密集编码等。由于量子纠缠源的独特性质，使量子信息在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面具有突破现有经典信息系统极限的能力。量子纠缠源是量子通信和量子计算的核心，实现连续变量量子信息最重要的关键和难点是制备稳定高效的连续变量量子纠缠态光源。目前为止，产生连续变量量子纠缠源最普遍的方法是用单频激光器泵浦光学参量振荡器，经非线性过程产生非经典光场。1992年，美国的Kimble小组用II类相位匹配的 KTP晶体作为光学参量振荡腔的非线性介质，通过非兼并光学参量放大过程，获得两束偏振正交的压缩态光场——纠缠光束。1998年，他们利用阈值以下简并光学参量过程产生两束频率简并的正交位相压缩光，通过50%分束镜耦合获得了连续变量量子纠缠光束。2000 年，山西大学光电研究所采用单频双波长的Nd:YAP/KTP激光器泵浦用II类相位匹配的KTP 晶体作为非线性介质的光学参量放大器，当光学参量放大器运转于放大状态时，得到正交振幅正关联、正交位相反关联的明亮纠缠光束。但是，上述工作都处在实验室阶段。目前为止，并没有相关的样机和商业化的连续变量量子纠缠源产品。其主要原因在于连续变量量子纠缠源对控制系统的要求较高，例如纠缠源系统中光学参量振荡腔的锁定、泵浦所用单频激光器的稳频等过程等都需要人工操作。因此，上述连续变量量子纠缠源不具备易操作性和可靠性。制约了连续变量量子纠缠源从实验室走向稳定可靠的产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、稳定可靠的连续变量量子纠缠源产生装置。本发明设计的一种连续变量量子纠缠源产生装置，包括单频激光器、光学参量放大器、贝尔态直接探测系统、底板和光学参量放大器锁定系统组成；所述的纠缠源产生装置所用的光学元件均固定在底板上，底板由形变系数较小的材料充当，该设计减轻了环境变化对纠缠源的影响，改善了纠缠源的稳定性和可靠性；所述的光学参量放大器锁定系统由扫描、锁定阈值设定、比较、锁定四个单元组成，其中扫描单元由信号源、计数器、数字电位器和高压直流放大器组成，锁定阈值设定单元由电压基准、波段开关、第一电压跟随器、电位器和第二电压跟随器组成，锁定单元由PID电路和高压直流放大器组成；所述的光学参量放大器锁定系统中，扫描单元的输出端经高压放大器与光学参量放大器上的压电陶瓷相连，光学参量放大器输出的光信号入射到光电探测器中，光电探测器输出的直流信号经第三电压跟随器与比较单元的正向输入端相连；扫描单元的输出端与比较单元的正向输入端相连；所述的光学参量放大器锁定系统中，锁定阈值设定单元的输出端与比较单元的负向输入端相连；所述的光学参量放大器锁定系统中，比较单元的输出端经第二电子开关与锁定单元相连。扫描单元通过驱动光学参量放大器上的压电陶瓷来搜索光学参量放大器的共振点。越接近共振点，光学参量放大器输出的光信号越强，远离共振点时，光学参量放大器输出的光信号变弱。光学参量放大器的输出光经光电探测器后转换为电信号，将光电探测器输出的电信号与锁定阈值设定比较，来决定锁定系统下一步的动作。当光电探测器信号小于锁定阈值设定时，扫描单元继续扫描，锁定单元处于扫描状态。当该光电探测器信号大于锁定阈值设定时，扫描单元停止扫描，锁定单元自动切换到锁定状态。在纠缠源系统调试的最后阶段，要根据光学参量放大器注入光功率的大小和光电探测器的光电转换效率来调节锁定阈值设定值的大小。根据比较器输出电平的高低控制电子开关的工作状态，由电子开关决定PID电路的工作状态。当光电探测器输出信号小于锁定阈值的设定值时，比较器输出低电平，电子开关控制PID电路工作在监视状态。当光电探测器输出信号大于锁定阈值的设定值时，比较器输出高电平，电子开关控制PID电路工作在锁定状态。所述的光学参量放大器中的非线性介质为II类非临界相位匹配的非线性晶体。 利用单频激光器输出的倍频光作为泵浦源，基频光作为注入种子光，泵浦运转于阈值以下的光学参量放大器，得到频率简并，偏振垂直的双模压缩态光场。经偏振分束器分束后，可直接得到纠缠光源。所述的纠缠源底板由精密数控机床一次加工成型。这种设计减小了机械加工误差对纠缠源纠缠特性的影响，为连续变量量子纠缠源产品化、批量生产提供了条件。所述的扫描单元中，信号源的输出端与第一电子开关的输入端相连，第一电子开关的输出端分别与计数器和数字电位器的时钟端相连，计数器的输出端与数字电位器的控制端相连，数字电位器的输出端与高压放大器的偏置输入端相连，第一电子开关的逻辑控制端与比较单元的输出端与相连。信号源的作用是提供时钟信号，时钟信号经由电子开关供给计数器和数字电位器。当系统工作在扫描状态时，电子开关接通，信号源提供给计数器和数字电位器时钟信号；当系统工作在锁定状态时，电子开关断开，数字电位器维持固定的输出电压。每收到一个时钟信号，数字电位器的输出电平改变一个步长，输出电平的增减由计数器的输出信号决定。所述的锁定阈值设定单元中，固定的电压基准与波段开关相连，波段开关的动片通过第一电压跟随器与电位器相连，电位器的中心抽头经第二电压跟随器与比较单元的正向输入相连。波段开关用来选择分离的锁定阈值点，电位器用来精确设定锁定阈值点。所述的锁定单元中，PID电路的误差信号由光电探测器的交流输出端与调制信号混频后提供，误差信号经第二电子开关与PID电路的输入端相连，PID电路的输出端与高压放大器的增益信号输入端相连。高压放大器的输出驱动固定在光学参量放大器上压电陶瓷来控制光学参量放大器的腔长。光学参量放大器的误差信号经反射场提取，入射到光电探测器中。光电探测器输出的交流电信号解调后经PID电路和高压放大器的增益信号输入端反馈到压电陶瓷上，实现光学参量放大器的锁定。光电探测器输出的直流信号与锁定阈值
4设定单元输出的信号比较，得到的值作为控制光学参量放大器工作状态的逻辑信号。当光电探测器输出的直流信号小于锁定阈值设定单元的设定值，第二电子开关控制PID电路工作在锁定状态，同时第一电子开关控制计数器停止计数，数字电位器维持当前的工作点。当光电探测器输出的直流信号大于锁定阈值设定单元的设定值，第二电子开关控制PID电路工作在开锁状态，同时第一电子开关接通，数字电位器输出扫描信号，扫描光学参量放大器的腔长，搜索光学参量放大器的共振点，直到光电探测器输出的直流信号小于锁定阈值设定单元的设定值。与现有技术相比本发明设计的一种连续变量量子纠缠源产生装置有如下优点本发明采用光学参量放大器自动搜索锁定系统，有容易操作、可长时间稳定工作、 失锁后自动再锁定，容易产品化等优点。本发明将纠缠源所用的光学元件都固定在一整块底板上，减小了环境变化对纠缠源的影响，改善了纠缠源的稳定性和可靠性。本发明设计的纠缠源底板采用精密数控机床一次加工成型，减小了机械加工误差对纠缠源纠缠特性的影响，具有易产品化和批量生产等优点。总之，本发明设计的一种连续变量量子纠缠源产生装置具有操作简单、稳定可靠、 适合批量生产等优点，具有重要的应用价值。
图1是本发明一种连续变量量子纠缠源产生装置的原理框图；其中1-单频激光器，2-光学参量放大器，3-贝尔态直接探测系统，4-底板，5-光学参量放大器锁定系统， 11-扫描单元，12-锁定阈值设定单元，13-比较单元，14-锁定单元，34-光电探测器。图2是本发明一种连续变量量子纠缠源产生装置的光路示意图；其中35-电光相位调制器，40-非线性晶体，50-540nm光隔离器，51-1080nm光隔离器。图3是本发明一种连续变量量子纠缠源产生装置中光学参量放大器锁定系统的线路示意图；其中21-电阻，22-电阻，23-波段开关，24-电压基准，25-第一电压跟随器， 26-电位器，27-第二电压跟随器，28-信号源，29-第一电子开关，30-计数器，31-数字电位器，32-PID电路，33-高压放大器，36-高频信号源，37-混频器，38-第三电压跟随器，39-第二电子开关。图4是本发明中使用的PID电路32的电路图。
具体实施例方式本发明是一种连续变量量子纠缠源产生装置，如图1-4所示。图1是本发明的原理框图，用单频激光器1泵浦光学参量放大器2，光学参量放大器2输出的纠缠光用贝尔态直接探测系统3进行测量。为了改善纠缠源装置的稳定性和可靠性，单频激光器1、光学参量放大器2和贝尔态直接探测系统3都固定在一块底板4上。 光学参量放大器锁定系统5用来自动扫描锁定光学参量放大器2。连续变量量子纠缠源装置的具体光路图如图2所示，单频激光器1是激光二极管端面泵浦的内腔倍频Nd:YAP/LB0激光器，单频激光器1的输出波长为540nm。由于输出耦合镜对基频光不完全发射，激光器也有少许IOSOnm光输出。利用环形谐振腔选取单纵模，获得稳定的单频激光输出。光学参量放大器2由两个曲率半径为50mm的平凹镜和一块非线性晶体40 (a-切割的KTP晶体)组成，KTP晶体的尺寸为3 X 3 X IOmm,两端镀1080nm和 540nm双减反膜。光学参量放大器2的所有元件均固定在由殷刚制成的架子上。KTP晶体由高精度控温仪进行控温，控温精度为0. 01°C。光学参量放大器2的一个腔镜粘接在压电陶瓷上，用于光学参量放大器2腔长的主动控制。单频激光器1输出的IOSOnm光经电光相位调制器35、IOSOnm光隔离器51后作为信号光注入光学参量放大器2。单频激光器1输出的540nm光经540nm光隔离器50后作为泵浦光注入光学参量放大器2。1080nm光隔离器 51和MOnm光隔离器50可防止光学参量放大器2的反射光反馈到单频激光器1内影响其稳定性。电光相位调制器35用来在边带锁频系统中产生边带。非线性晶体40为II类非临界相位匹配的KTP晶体，参与非线性相互作用的光束在该晶体中可以实现共线匹配，消除了走离效应，得到频率简并，偏振垂直的双模压缩态光场。经偏振分束器分束后，可直接得到纠缠光源。实验中，KTP晶体的温度控制到相位匹配温度到67°C。通过贝尔态直接探测系统3测量光学参量放大器2输出光的纠缠特性。测量过程如下，首先用偏振分束棱镜将光学参量放大器2输出的信号模与闲置模分开，再用50%分束器(由两个偏振分束棱镜和一个半波片组成)将两束光耦合。分束器输出的明亮光束由两个探测器直接探测，两探测器输出的光电流相加、相减后分别送入频谱分析仪测量输出光的纠缠度。光学参量放大器锁定系统5的电路图如图3所示，工作原理如下扫描单元11输出阶梯型的三角波信号H送入高压放大器33的偏置输入端，信号经高压放大器33放大后驱动光学参量放大器2上的压电陶瓷，扫描光学参量放大器2的腔长。光学参量放大器2 的腔长越接近共振点，光电探测器34接受到的反射场信号越小；光学参量放大器2的腔长越远离共振点，光电探测器34接受到的反射场信号越大。扫描单元11中，信号源观用来给计数器30和数字电位器31提供脉冲信号，时钟信号经计数器30分频后给数字电位器31 提供增/减控制信号。第一电子开关四通过比较单元13输出的逻辑信号C控制脉冲信号的通断。当比较单元13输出的逻辑信号C为高电平时，光学参量放大器锁定系统5处于扫描状态，第二电子开关39关断，PID电路32停止工作，第一电子开关四接通，扫描光学参量放大器2的腔长，直到光电探测器34输出的直流信号DC(经第三电压跟随器38后为信号B)小于锁定阈值设定单元12输出的信号A后，光学参量放大器锁定系统5自动切换到锁定状态。当比较单元13输出的逻辑信号C为低电平时，第二电子开关39接通，PID电路 32开始工作，根据误差信号J锁定光学参量放大器2的腔长，第一电子开关四关断，数字电位器31的输出保持不变，高压放大器33给光学参量放大器2中的压电陶瓷提供恒定的偏置电压。锁定阈值设定单元12中，电压基准M提供恒定的电压输出，当波段开关23位于不同的触点时，经分压可得到一系列分离的电压值。这些电压值经第一电压跟随器25后， 可通过电位器沈连续设定输出电压的大小，第二电压跟随器27可防止后面电路对锁定阈值设定单元的干扰。锁定阈值点的设定在系统调试时根据具体情况设定，扫描过程中，记录信号B的最大值，一般将锁定阈值设定单元12输出信号B的大小设为信号A最大值的20%。比较单元13用来比较信号A和信号B的大小，输出的信号C通过控制第一电子开关四和第二电子开关39的逻辑关系来控制光学参量放大器锁定系统5的工作状态(扫描或锁定)。光电探测器34输出的交流信号与高频信号源36输出的信号经混频器37混频后作为锁定的误差信号J。当第二电子开关39接通时，误差信号J送入PID电路32，PID电路32的输出信号F接高压放大器33的增益输入端，高压放大器的输出信号E控制光学参量放大器2上的压电陶瓷，实现光学参量放大器2的锁定。PID电路32应用较为普遍，本发明使用的PID电路如图4所示，误差信号从PID电路32的输入端(In)输入，控制信号从PID电路32的输出端(Out)输出。信号K与PID电路32的输入端(In)相连，PID电路32的输出端(Out)与端子F相连。本发明实施例采用的元器件，比较电路所用的运算放大器采用LM358，电压跟随器所用的运算放大器均采用LM358，第一电子开关四的型号为MAXIM公司生产的DG418，第二电子开关39的型号为MAXIM公司生产的DG417，波段开关23采用上海卫讯电子生产的 KXM-CX,电位器沈均采用墨西哥生产的BOURNS 3590S-2-10，最大可调节10圈。信号源28 采用南京盛普生产的F80，计数器30采用PHILIPS公司生产的HEF4060B，数字电位器采用 MAXIM公司生产的MAXM81。本发明中，将所有连续变量量子纠缠源产生装置都固定在一块底板4上，改善了系统的可靠性；纠缠源底板4由精密机床一次加工成型，使纠缠源更易于批量生产而不改变每台的性能参数；设计的光学参量放大器锁定系统5更易于纠缠源的操作，及改善了光学参量放大器2锁定过程的稳定性。该装置的获得有助于连续变量量子纠缠源走出实验室，广泛应用于国民经济的各个领域。
权利要求
1.一种连续变量量子纠缠源产生装置，包括单频激光器(1)、光学参量放大器O)、贝尔态直接探测系统(3)、底板(4)和光学参量放大器锁定系统(5)；其特征在于纠缠源产生装置所用的光学元件均固定在底板(4)上，底板(4)由形变系数较小的材料充当；所述的光学参量放大器锁定系统( 由扫描单元(11)、锁定阈值设定单元(12)、比较单元(13)、锁定单元(14)组成，其中扫描单元(11)由信号源(观)、计数器(30)、数字电位器(31)和高压直流放大器(3 组成，锁定阈值设定单元(1 由电压基准(M)、波段开关(23)、第一电压跟随器(25)、电位器(26)和第二电压跟随器(27)组成，锁定单元(14)由PID电路(32)和高压直流放大器(3 组成；所述的光学参量放大器锁定系统( 中，扫描单元(11)的输出端经高压放大器(3 与光学参量放大器( 上的压电陶瓷相连，光学参量放大器( 输出的光信号入射到光电探测器(34)中，光电探测器(34)输出的直流信号经第三电压跟随器 (38)与比较单元(1 的正向输入端相连；所述的光学参量放大器锁定系统(5)中，锁定阈值设定单元(1 的输出端与比较单元(1 的负向输入端相连；所述的光学参量放大器锁定系统(5)中，比较单元(13)的输出端经第二电子开关(39)与锁定单元(14)相连。
2.根据权利要求1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于所述的光学参量放大器O)中的非线性介质GO)为II类非临界相位匹配的非线性晶体。
3.根据权利要求1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于所述的纠缠源底板由精密数控机床一次加工成型。
4.根据权利要求1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于所述的扫描单元(11)中，信号源08)的输出端与第一电子开关09)的输入端相连，第一电子开关 (29)的输出端分别与计数器(30)和数字电位器(31)的时钟端相连，计数器(30)的输出端与数字电位器(31)的控制端相连，数字电位器(31)的输出端与锁定系统(14)中高压放大器(3 的偏置输入端相连，第一电子开关09)的逻辑控制端与比较单元(1 的输出端相连。
5.根据权利要求1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于所述的锁定阈值设定单元(12)中，固定的电压基准04)与波段开关03)相连，波段开关03)的动片通过第一电压跟随器0 与电位器06)相连，电位器06)的中心抽头经第二电压跟随器 (27)与比较单元(13)的正向输入相连。
6.根据权利要求1所述的一种连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于所述的锁定单元(14)中，PID电路(3 的误差信号由光电探测器的交流输出端与调制信号混频后提供，误差信号经第二电子开关(39)与PID电路(32)的输入端相连，PID电路(32)的输出端与高压放大器(3 的增益信号输入端相连。
全文摘要
本发明提供了一种连续变量量子纠缠态光场产生装置，包括单频激光器(1)、光学参量放大器(2)、贝尔态直接探测系统(3)、底板(4)和光学参量放大器锁定系统(5)；所用的光学元件均固定在底板(4)上；所述的光学参量放大器锁定系统(5)由扫描单元(11)、锁定阈值设定单元(12)、比较单元(13)、锁定单元(14)组成，实现了光学参量放大器的自动锁定；解决了现有连续变量量子纠缠源可操作性和可靠性差的问题。该装置具有稳定可靠、操作简单、适合批量生产等优点。
文档编号G02F1/35GK102436117SQ201110312978
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者张宽收, 彭堃墀, 王文哲, 贾晓军, 郑耀辉 申请人:山西大学