一种多自由度混合纠缠w态光子的产生系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于量子信息与光通信技术领域，具体设及一种多自由度混合纠缠W 态光子的产生系统。
【背景技术】
[0002] 量子纠缠是多粒子量子系统中的一种非定域关联。纠缠态包括有Bell态、GHZ态、 W态等等。纠缠Be11态和GHZ态在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配等领域取得 了很多成果。目前，纠缠W态由于其抗比特丢失能力和强纠缠特性受到极度关注。W态不同 于常见的纠缠态，即使非可信用户测量多粒子体系中某一粒子、可信用户通信协商舍弃某 一粒子等原因丢失可加载比特信息的粒子，剩余粒子仍然存在纠缠关联。
[0003] 2000年，mirW等人首次提出了W态，并证明W态中任意粒子间都存在纠缠关联 特性。W态的制备有基于离子阱装置制备的冷囚禁多离子W态；通过腔犯D的跃迁或腔场 绝热技术等制备的原子W态；而利用光学器件制备光子W态的研究更为广泛。2002年，Zou 等人利用一个EH?对和两个单光子在四个偏振分束器与透镜的作用下实现四光子W态的制 备。2003年，Man化edEibl等人通过Type-II参量下转换过程实现了双光子的偏振W态的 审IJ备。2004年，日本的化deharuM化ami结合两种类型的参量下转换过程实现N个光子的 偏振W态的制备。为提高W态在实际应用中的纯度与概率，也提出了很多改进方案。
[0004] 2009年，TashimaT等人利用Type-I参量下转换产生两组EPR对，通过本地量子 体系操作和远程经典通信操作实现保真度为0. 778 + 0. 0043的=光子W态制备。2010年， 该小组改进方案不仅提高=光子W态的保真度到0. 836 + 0. 042,还实现N光子W态的制备； 2013年，Tie-化nWang等人利用混合偏振分束器与探测器测量，实现两组=光子偏振纠缠 态的W态重置，简化实验过程并提高保真度与实现概率。但上述方案是基于单一自由度的 量子纠缠，未设及W态的多自由度扩展。在实际量子通信中，单一自由度的量子纠缠受到量 子信道的限制，量子信道中的噪声、衰减、保偏等影响，使得单一自由度的纠缠不能满足实 际通信系统的需求。如何制备多个自由度混合的纠缠态成为关注的焦点。2014年，G枯忆等 人提出了多个自由度混合的W态的制备。该方案利用单光子的多自由度（自旋、频率和其 他空间模式）实现信息容量的扩展，采用多种模式的叠加提高了单光子在量子通信中的鲁 椿性（Robust);但受理想单光子制备水平的限制，未在实际的量子通信领域中得到应用。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的在于为了解决W上的不足，提供了一种多自由度混合纠缠W 态光子的产生系统，利用该系统可制备出具有强纠缠特性和抗比特丢失能力的轨道角动 量-线动量-偏振=光子多自由度的纠缠W态光子。
[0006] 为了实现本实用新型目的所采取的技术方案是：
[0007] -种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，包括第一混合纠缠单元、第二混合 纠缠单元、偏振纠缠单元和纠缠交换单元；第一混合纠缠单元的输出端、第二混合纠缠单元 的输出端和偏振纠缠单元的输出端分别与所述纠缠交换单元连接；所述第一混合纠缠单 元用于产生轨道角动量-偏振纠缠光子对；所述第二混合纠缠单元用于产生线动量-偏振 纠缠光子对；所述偏振纠缠单元用于产生互为垂直的偏振纠缠光子对；所述纠缠交换单元 用于将所述轨道角动量-偏振纠缠光子对、线动量-偏振纠缠光子对和互为垂直的偏振纠 缠光子对进行纠缠交换，获得多自由度混合纠缠W态光子；所述第一混合纠缠单元包括第 一累浦源、BBO晶体、第一全反射镜、第二全反射镜、第一Q-plate相位板、第一单模光纤和 第一A /4玻片；所述第一累浦源用于产生累浦光；所述累浦光经所述BBO晶体反射后产 生第一轨道角动量纠缠光子对，且所述第一轨道角动量纠缠光子对被分为第一光束和第二 光束，第一光束经过所述第一全反射镜后输出，第二光束依次经过所述第二全反射镜、第一 Q-plate相位板、第一单膜光纤和第一A/4玻片后，第一轨道角动量纠缠光子对转化为轨 道角动量-偏振纠缠光子对；所述第二混合纠缠单元包括线动量转换单元、第=全反射镜、 第四全反射镜、第五全反射镜、第二Q-plate相位板、第二单模光纤和第二A/4玻片；照射 至所述BBO晶体上的累浦光部分透射过BBO晶体，透射光束经过所述第S全反射镜再次反 射至所述BBO晶体，产生第二轨道角动量纠缠光子对，且所述第二轨道角动量纠缠光子对 被分为第=光束和第四光束，第=光束依次经过所述第四全反射镜和线动量转换单元后输 出，第四光束依次经过所述第五全反射镜、第二Q-plate相位板、第二单模光纤和第二入/4 玻片后，第二轨道角动量纠缠光子对转化为线动量-偏振纠缠光子对；所述偏振纠缠单元 包括第二累浦源、PPKTP晶体、第六全反射镜和第走全反射镜；所述第二累浦源用于产生累 浦光，所述累浦光经过所述PPKTP晶体后产生互为垂直的偏振纠缠光子对，且所述偏振纠 缠光子对被分为第五光束和第六光束，第五光束经过所述第六全反射镜后输出，第六光束 经过所述第走全反射镜后改变方向，进入所述纠缠交换单元；所述纠缠交换单元包括依次 设置的第八全反射镜、第一分束器、第二分束器和偏振分束器，还包括分别连接在所述偏振 分束器输出端的第一单光子探测器和第二单光子探测器；所述第一A/4玻片输出的轨道 角动量-偏振纠缠光子对通过第八全反射镜后到达所述第一分束器，所述第二A /4玻片输 出的线动量-偏振纠缠光子对直接到达第一分束器，第一分束器经到达其的光子进行禪合 后输出至所述第二分束器；所述第走全反射镜输出的偏振纠缠光子对直接到达所述第二分 束器，第二分束器将到达其的光子进行禪合后输出至所述偏振分束器。
[0008] 所述BB0晶体受累浦光照射后在Type-I参量下转换可得到具有高维轨道角动量 纠缠的光子对。所述线动量转换单元即使用计算机相位全息图利用叉形衍射光栅将携带轨 道角动量的螺旋位相光束转换成携带线动量的光束。所述第一全反射镜、第二全反射镜、第 =全反射镜、第四全反射镜和第五全反射镜均为锻有高反膜的反射镜，用于对入射到其上 的光束进行反射，并改变光的传播方向。
[0009] 所述第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板均是一种单轴双折射介质，是具 有特殊的Pancharatnam-Berry相位光学器件；第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板 使Type-I产生的两束闲频光分别实现轨道角动量与自旋角动量之间的纠缠关联。第一单 模光纤和第二单模光纤分别选择经过第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板变换后的 闲频光，筛选闲频光模式为零的高斯光通过；所述第一A/4玻片和第二A/4玻片将自旋偏 振态光子转换成水平竖直偏振态光子，即，自旋偏振态光子中的右旋态光子经^/4玻片后 转化为竖直偏振态光子，自旋偏振态光子中的左旋态光子经人/4玻片后转化为水平偏振 态光子。
[0010] 所述PPKTP晶体用于Type-II参量下转换产生互为垂直的偏振纠缠光子对，此处 互为垂直具体指偏振纠缠光子对包括有水平偏振态光子和竖直偏振态光子。所述第六全反 射镜、第走全反射镜和第八全反射镜均为锻有高反膜的反射镜，用于对入射到其上的光束 进行反射，并改变光的传播方向。其中偏振分束器用于对复合光束进行分离，分离成水平偏 振态光子和竖直偏振态光子。所述第一单光子探测器用于测量水平偏振态上的光子数；所 述第二单光子探测器用于测量竖直偏振态上的光子数，根据单光子探测器的读书不同就可 W获得不同的W态。
[0011] 进一步地，所述第一Q-plate相位板和第二Q-plate相位板均为 Pancharatnam-Berry相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。
[0012] 进一步地，所述第一全反射镜和第二全反射镜位于所述BB0晶体的同一侧，且在 空间上具有夹角。
[0013] 进一步地，所述第=全反射镜与所述BB0晶体相对设置；所述第四全反射镜和第 五全反射镜位于第S全反射镜和BB0晶体之间，且第四全反射镜和第五全反射镜在空间上 具有夹角。
[0014] 进一步地，所述第六全反射镜和第走全反射镜位于所述PPKTP晶体的同一侧，且 在空间上具有夹角。
[0015] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
[0016] 1、本实用新型的产生系统结构简单，使用方便，可稳定产生两种等概率互为对称 的纠缠W态光子；本实用新型产生的纠缠W态光子是基于多个自由度的混合纠缠，有利于提 高量子通信的安全性，其在自由空间与光纤中有强纠缠特性和抗比特丢失能力，消减了噪 声、消相干等因素的影响。
[0017] 2、本实用新型中采用携带轨道角动量的信号光进行纠缠制备，实现了高维度、可 构成无穷维向量空间的特性。
[0018] 3、本实用新型可实现轨道角动量-线动量-偏振=光子体系纠缠的高维度、可扩 容的大容量量子信息处理。
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型多自由度混合纠缠W态光子的产生系统的具体结构示意图；
[0020] 图2是本实用新型多自由度混合纠缠W态光子的产生方法的原理框图。
【具体实施方式】
[0021] W下结合附图对本实用新型的【具体实施方式】做进一步说明：
[002引参照附图1至附图2所示，一种多自由度混合纠缠W态光子的产生系统，该系统包 括第一混合纠缠单元10、第二混合纠缠单元11、偏振纠缠单元12、纠缠交换单元13。第一 混合纠缠单元10的输出端、第二混合纠缠单元11的输出端和偏振纠缠