信号调制连续变量纠缠源的制备装置的制作方法

本发明涉及量子光学和量子信息技术领域，尤其涉及一种信号调制连续变量纠缠源的制备装置。

背景技术：

连续变量纠缠源是量子信息处理的基本资源，可以应用于量子通信、量子计算、量子测量等量子信息处理任务；其纠缠物理量为量子化光频电磁场的广义位置与动量，即光场的正交分量。连续变量纠缠源产生的连续变量纠缠态光场能够方便地通过平衡零拍探测器进行测量，具有探测效率高的优点；同时连续变量纠缠态光场的制备过程无需后选择，具有无条件性的特点。基于纠缠态的连续变量量子密钥分发与相干态连续变量量子密钥分发相比，具有更优的性能。近期的研究表明，如果将纠缠态进行适当的随机调制，能够进一步提升连续变量量子密钥分发对量子通道额外噪声的容忍能力，提高密钥分发的性能。

目前在制备信号调制的连续变量纠缠源时，有如下几种方式：

第一种采用直接调制的方法：即首先制备出连续变量纠缠态光场，然后将连续变量纠缠态光场依次通过振幅调制器和相位调制器进行弱调制。该方法虽然实现方案简洁，然而由于连续变量纠缠态光场对线性损耗很敏感，在传输经过振幅调制器和相位调制器时不可避免会有各种残余反射、散射等损耗，造成纠缠态的纠缠度下降，影响后续的量子信息处理协议的性能，特别是如果选择高带宽的集成波导电光调制器时，器件的插入损耗比自由空间器件更为严重。

第二种实现信号调制的连续变量纠缠源的方法为(参考文献“continuousvariablequantumkeydistributionwithmodulatedentangledstates，naturecommunications3，1083(2012)”)：将调制信号加载在一束相干态光场上，然后让加载调制信号的相干态光场与待调制的纠缠态在不平衡分束器上干涉耦合，实现连续变量纠缠态的调制。该方法将调制信号间接加载在纠缠态光场上，纠缠态光场经受的损耗较小。然而该方法的缺点是实现装置结构较为复杂，需要额外的一束相干态光场与待调制的纠缠态在分束器上干涉，并且干涉的相对相位需要通过电子伺服系统锁定来确保正确的正交分量得到调制，导致信号调制连续变量纠缠源的制备装置成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前信号调制连续变量纠缠源的制备装置会造成信号调制的连续变量纠缠源的纠缠度下降，影响后续的量子信息处理协议的性能及结构复杂、成本高的技术问题，提供一种信号调制连续变量纠缠源的制备装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种信号调制连续变量纠缠源的制备装置，包括单频激光器、非简并光学参量振荡器、本地振荡光与注入信号光分离系统、注入信号光调制系统、移频信号产生系统和第一分光器；所述注入信号光调制系统由光纤耦合器、电光振幅调制器、电光相位调制器和反射器构成，光纤耦合器、电光振幅调制器、电光相位调制器和反射器依次连接；

所述单频激光器与非简并光学参量振荡器连接，且单频激光器双向抽运非简并光学参量振荡器产生信号光和闲置光；非简并光学参量振荡器与本地振荡光与注入信号光分离系统连接，且非简并光学参量振荡器产生的信号光和闲置光经本地振荡光与注入信号光分离系统后，分离为本地振荡光和注入信号光；本地振荡光与注入信号光分离系统与注入信号光调制系统中的光纤耦合器连接，本地振荡光与注入信号光分离系统分离的部分信号光即注入信号光经光纤耦合器耦合后，依次进入电光振幅调制器和电光相位调制器，经电光振幅调制器的振幅调制和电光相位调制器的相位调制后，得到首次调制后的注入信号光；首次调制后的注入信号光被反射器反射，反射的注入信号光被电光相位调制器和电光振幅调制器二次调制，二次调制后的注入信号光反向注入非简并光学参量振荡器，经非简并光学参量振荡器参量放大后产生的信号调制的两组份连续变量纠缠光场，该纠缠光场被与非简并光学参量振荡器连接的第一分光器空间分离为两组份；电光振幅调制器和电光相位调制器分别与移频信号产生系统中的混频器连接，电光振幅调制器和电光相位调制器进行调制所需的移频调制信号由移频信号产生系统产生。

进一步地，所述本地振荡光与注入信号光分离系统由第二分光器和部分反射镜构成，且第二分光器和部分反射镜依次设在非简并光学参量振荡器的输出场光路上；第二分光器将非简并光学参量振荡器输出的信号光与闲置光空间分离，闲置光和透射的部分信号光被部分反射器反射出一部份作为本地振荡光场，剩余的透射部分信号光即注入信号光进入注入信号光调制系统中的光纤耦合器。

进一步地，所述移频信号产生系统由第一正弦波信号发生器、第一混频器、第二混频器、第二正弦波信号发生器、第一调制信号发生器和第二调制信号发生器构成，所述第一正弦波信号发生器和第一调制信号发生器的输出端分别与第一混频器的第一和第二输入端连接，第一混频器输出端与电光振幅调制器连接，第二正弦波信号发生器和第二调制信号发生器的输出端分别与第二混频器的第一和第二输入端连接，第二混频器输出端与电光相位调制器连接；第一调制信号发生器产生的第一调制信号与第一正弦波信号发生器产生的第一正弦波信号通过第一混频器混频后产生的移频振幅调制信号加载到电光振幅调制器上；第二调制信号发生器产生的第二调制信号与第二正弦波信号发生器产生的第二正弦波信号通过第二混频器混频后产生的移频相位调制信号加载到电光相位调制器上。

进一步地，所述第一分光器由双色镜或者偏振分束器构成。

进一步地，所述电光振幅调制器和电光相位调制器均为波导型电光调制器，尾纤为单模保偏光纤，光纤的接头类型为fc/apc或fc/upc。

进一步地，所述非简并光学参量振荡器输出的信号光与闲置光的频率或者偏振态不简并。

进一步地，所述光纤耦合器在信号光波长处镀有减反膜。

本发明的有益效果是：

通过将调制信号加载到非简并光学参量振荡器的注入信号光上，经调制的注入信号光再通过非简并光学参量振荡器参量放大后得到信号调制的连续变量纠缠光场，实现将调制信号的加载过程与纠缠源的制备过程有机融合在一起，在连续变量纠缠源的制备过程中实现信号调制，整个装置的结构简单、紧凑且实用。由于本发明中的调制信号是直接加载在注入信号光上对其进行正交振幅分量和正交位相分量的调制，因此无需相位锁定装置，不仅系统的稳定性较好，而且成本较低。另外，本发明中调制信号并不直接对纠缠态进行调制，无调制损耗，有效避免了直接调制方法带来的调制损耗较大的不足，保护了纠缠态在调制过程其纠缠特性不被破坏。因此，与背景技术相比，本发明具有结构简单、紧凑且实用，系统稳定性良好，成本较低，无调制损耗，不破坏纠缠态的纠缠特性等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为信号调制连续变量纠缠光场正交振幅分量的量子正关联示意图。

图3为信号调制连续变量纠缠光场正交位相分量的量子反关联示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本实施例中的信号调制连续变量纠缠源的制备装置包括单频激光器1、非简并光学参量振荡器2、本地振荡光与注入信号光分离系统3、注入信号光调制系统4、移频信号产生系统5和第一分光器6；所述注入信号光调制系统4由光纤耦合器9、电光振幅调制器10、电光相位调制器11和反射器12构成，光纤耦合器9、电光振幅调制器10、电光相位调制器11和反射器12依次连接；

所述单频激光器1与非简并光学参量振荡器2连接，且单频激光器1双向抽运非简并光学参量振荡器2产生信号光和闲置光；非简并光学参量振荡器2与本地振荡光与注入信号光分离系统3连接，且非简并光学参量振荡器2产生的信号光和闲置光经本地振荡光与注入信号光分离系统3后，分离为本地振荡光和注入信号光；本地振荡光与注入信号光分离系统3与注入信号光调制系统4中的光纤耦合器9连接，本地振荡光与注入信号光分离系统3分离的部分信号光即注入信号光经光纤耦合器9耦合后，依次进入电光振幅调制器10和电光相位调制器11，经电光振幅调制器10的振幅调制和电光相位调制器11的相位调制后，得到首次调制后的注入信号光；首次调制后的注入信号光被反射器12反射，反射的注入信号光被电光相位调制器11和电光振幅调制器10二次调制，二次调制后的注入信号光反向注入非简并光学参量振荡器2，经非简并光学参量振荡器2参量放大后产生信号调制的两组份连续变量纠缠光场，该纠缠光场被与非简并光学参量振荡器2连接的第一分光器6空间分离为两组份；电光振幅调制器10和电光相位调制器11分别与移频信号产生系统5中的混频器连接，电光振幅调制器10和电光相位调制器11进行调制所需的移频调制信号由移频信号产生系统5产生。其中，上述移频调制信号均满足弱调制条件，即调幅系数和调相系数均远小于1。

可选地，所述本地振荡光与注入信号光分离系统3由第二分光器7和部分反射镜8构成，且第二分光器7和部分反射镜8依次设在非简并光学参量振荡器2的输出场光路上；第二分光器7将非简并光学参量振荡器2输出的信号光与闲置光空间分离，闲置光和透射的部分信号光被部分反射器8反射出一部份作为本地振荡光场，剩余的透射部分信号光即注入信号光进入注入信号光调制系统4中的光纤耦合器9。

可选地，所述移频信号产生系统5由第一正弦波信号发生器13、第一混频器14、第二混频器15、第二正弦波信号发生器16、第一调制信号发生器17和第二调制信号发生器18构成，所述第一正弦波信号发生器13和第一调制信号发生器17的输出端分别与第一混频器14的第一和第二输入端连接，第一混频器14输出端与电光振幅调制器10连接，第二正弦波信号发生器16和第二调制信号发生器18的输出端分别与第二混频器15的第一和第二输入端连接，第二混频器15输出端与电光相位调制器11连接；第一调制信号发生器17产生的第一调制信号与第一正弦波信号发生器13产生的第一正弦波信号通过第一混频器14混频后产生的移频振幅调制信号加载到电光振幅调制器10上；第二调制信号发生器18产生的第二调制信号与第二正弦波信号发生器16产生的第二正弦波信号通过第二混频器15混频后产生的移频相位调制信号加载到电光相位调制器11上；所述移频振幅调制信号和移频相位调制信号均满足弱调制条件，即调幅系数和调相系数均远小于1。其中，第一调制信号发生器17和第二调制信号发生器18产生的第一调制信号和第二调制信号的类型为高斯连续信号，也可以为离散信号。

可选地，所述第一分光器6由双色镜或者偏振分束器构成。

可选地，所述电光振幅调制器10和电光相位调制器11均为波导型电光调制器，尾纤为单模保偏光纤，光纤的接头类型为fc/apc或fc/upc。这种类型的电光调制器的调制带宽较高、功耗较小、回波损耗小。

可选地，所述非简并光学参量振荡器2输出的信号光与闲置光的频率或者偏振态不简并。

可选地，所述光纤耦合器9在信号光波长处镀有减反膜，以减少到达光纤耦合器9的入射信号光的反射。

通过本发明的信号调制连续变量纠缠源的制备装置产生的信号调制的连续变量纠缠光场，应满足以下两个要求：

(i)其两组份各自的正交分量起伏方差均大于相应的无信号调制时纠缠光场两组份各自的正交分量起伏方差：

其中，和分别为信号调制的连续变量纠缠态光场两组份的正交振幅分量和正交位相分量，和分别为无信号调制时纠缠态光场两组份的正交振幅分量和正交位相分量；

(ii)其两组份的正交振幅分量差起伏方差与正交位相分量和起伏方差之和与无信号调制时相等，且满足连续变量纠缠态的不可分离判据：

为了便于理解，下面举例说明通过本发明制备信号调制的连续变量纠缠光场的过程。

如图1所示，本发明利用532nm单横模单纵模固体激光器作为单频激光器1，双向抽运(泵浦)非简并光学参量振荡器2产生0.8微米(闲置光)和1.5微米(信号光)的非简并参量下转换光。非简并光学参量振荡器2由内置周期极化ktiopo4非线性晶体的四镜环形腔构成。非简并光学参量振荡器2高于阈值方向上(输出场光路上)输出的信号光和闲置光经由0.8微米高反&1.5微米高透的第二分光器7、1.5微米部分反射器8分离为三部分：本地振荡光l1、本地振荡光l2和1.5微米注入信号光；注入信号光依次经过光纤耦合器9耦合进电光振幅调制器10和电光相位调制器11进行首次调制，首次调制后的注入光信号经反射器12反射后，被电光相位调制器11和电光振幅调制器10进行二次调制后，沿着原入射光路方向反向注入到非简并光学参量振荡器2的低于阈值方向。

电光振幅调制器10和电光相位调制器11的调制信号由移频信号产生系统5产生，具体过程为：第一调制信号发生器17产生的第一调制信号为第一高斯型调制信号，第一正弦波信号发生器13产生的第一正弦波信号为3.5mhz的正弦波信号，第一高斯型调制信号与第一正弦波信号通过第一混频器14混频后，加载到电光振幅调制器10上；第二调制信号发生器18产生的第二调制信号为第二高斯型调制信号，第二正弦波信号发生器16产生的第二正弦波信号为3.5mhz的正弦波信号，第二高斯型调制信号与第二正弦波信号通过第二混频器15混频后，加载到电光相位调制器11上。其中，第一高斯型调制信号和第二高斯型调制信号的幅度满足弱调制条件，即调幅系数和调相系数均远小于1。

经过移频调制的注入信号光注入低于阈值的非简并光学参量振荡器2，经非简并光学参量振荡器2参量放大后输出，输出的参量放大场被第一分光器6分离为两组份：s1和s2，它们即为信号调制的连续变量纠缠态光场。

为了验证本发明制备得到为信号调制的连续变量纠缠态光场，可以利用平衡零拍探测器对该纠缠态光场的正交分量进行探测，产生的光电流信号输入数据采集分析系统进行分析记录，得到纠缠态光场的正交分量量子关联。

图2是实验测量到的高斯调制连续变量纠缠态的正交振幅分量关联示意图。图2中a区的点为散粒噪声区，即遮挡住纠缠态光场s1和s2时，对真空场正交分量进行平衡零拍探测的结果，此时关联度为零；b区的点为无高斯调制信号时纠缠态光场的正交振幅分量关联测量结果；c区的点为对高斯调制纠缠态的正交振幅分量关联测量结果。从图2可以看出纠缠态的正交振幅分量关联为正关联，经高斯调制后的纠缠态其正交振幅分量起伏明显增大，其正交振幅分量正关联方差与无信号调制时相等：

图3是实验测量到的高斯调制连续变量纠缠态的正交位相分量关联。d区的点为散粒噪声区，即遮挡住纠缠态光场s1和s2时，对真空场正交分量进行平衡零拍探测的结果，此时关联度为零；e区的点为无高斯调制信号时纠缠态的正交位相分量关联测量结果；f区的点为信号高斯调制纠缠态的正交位相分量关联测量结果。从图3可以看出纠缠态的正交位相分量关联为负关联，经高斯调制后的纠缠态其正交位相分量起伏明显增大，其正交位相分量负关联方差与无信号调制时相等：

由图2和图3的测量结果，并结合信号调制的连续变量纠缠态的不可分离判据：可证明本发明可以制备信号调制的连续变量纠缠态光场。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。