量子通道和量子节点之间连续变量量子纠缠的产生装置的制作方法

本发明涉及一种量子通道和量子节点之间连续变量量子纠缠的产生装置，具体是一种光和原子系统之间的连续变量量子纠缠的产生装置，并且通过光学谐振腔增强了光和原子系统之间的纠缠度。

背景技术：

量子纠缠不但是量子力学的重要内容之一，而且是量子信息传输和处理的核心资源。光场之间的量子纠缠已经在实验上被制备,并且应用于多种量子信息协议。量子互联网可以由光与原子构成。其中，光是量子信息的理想传输载体。原子可以和光进行相互作用，作为量子信息处理和存储的节点。量子通道和量子节点之间的量子纠缠是实现量子互联网的重要基础。此外，光学谐振腔能够有效地增强光和原子相互作用，能够用于实现高效率的量子存储和制备光和原子系统的纠缠源。

在2005年，美国佐治亚理工大学的kuzmich教授研究组利用自发拉曼散射过程制备了分离变量的光子和原子系统的纠缠，在prl95,040405(2005)发表题目为“entanglementofaphotonandacollectiveatomicexcitation”的论文。在2006年，美国加州理工大学的kimble教授研究组利用自发拉曼散射过程制备了分离变量的光子和原子系统的纠缠，并且使原子系统的相干时间延长至21微妙，在prl97,113603(2006)发表题目为“directmeasurementofdecoherenceforentanglementbetweenaphotonandstoredatomicexcitation”的论文。

以上研究工作利用自发拉曼散射过程几率性地制备了分离变量的光和原子纠缠，解决了光和原子系统纠缠制备的技术问题，但上述方法还存在着几率性制备的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有制备分离变量的量子通道和量子节点的纠缠存在着几率性制备的技术问题，提供一种扩展性好、结构紧凑、量子纠缠度高的可以应用于量子信息网络的连续变量光和原子系统纠缠的量子通道和量子节点之间连续变量量子纠缠的产生装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：利用两个光学参量放大器和光学分束器产生连续变量纠缠光脉冲对，通过光学谐振腔增强的电磁诱导透明机制的写入过程，将其中一个光脉冲的量子态高效率地映射到原子系统中，确定性地建立光和原子系统之间的量子纠缠；并且在读光的作用下，通过测量释放光脉冲和另一个光脉冲的关联特性，验证光和原子系统的纠缠特性。

量子通道和量子节点之间连续变量量子纠缠的产生装置，包括光源单元、五套声光调制系统、两个光学参量放大器、50：50光学分束器、原子系统和纠缠测量系统；所述光源单元设有两束种子光信号as1、as2输出端、控制光信号ac输出端和两束本地振荡光信号al1、al2输出端；所述两束种子光信号as1、as2输出端分别与第二、第三声光调制系统输入端连接，第二、第三声光调制系统输出端分别与两个光学参量放大器输入端连接，两个光学参量放大器输出端分别与第四、第五声光调制系统输入端连接，第四、第五声光调制系统输出端与50：50光学分束器的两个输入端连接，50：50光学分束器第一输出端和原子系统第一输入端连接；控制光信号ac输出端与第一声光调制系统输入端连接，第一声光调制系统输出端与原子系统第二输入端连接；原子系统输出端与纠缠测量系统第一输入端连接；50：50光学分束器第二输出端与纠缠测量系统第二输入端连接；两束本地振荡光信号al1、al2输出端分别与纠缠测量系统第三、第四输入端连接。

所述光源单元由可调谐激光器、单模1x4光纤耦合器、单模1x2光纤耦合器和一套声光调制系统组成。可调谐激光器输出端与单模1x4光纤耦合器输入端连接，单模1x4光纤耦合器第一输出端与单模1x2光纤耦合器输入端连接，单模1x2光纤耦合器输出两束本地振荡光信号al1、al2，单模1x4光纤耦合器第二输出端与声光调制系统输入端连接，声光调制系统输出控制光信号ac，单模1x4光纤耦合器第三、第四输出端输出两束种子光信号as1、as2。所述可调谐激光器采用低噪声、窄线宽、可调谐钛宝石激光器。

所述原子系统由原子部件和光学谐振腔组成。所述光学谐振腔由三片平腔镜、两套焦距分别为550mm、-500mm的透镜组构成；光学谐振腔采用三镜环形腔结构，其腔长为705mm；所述第一平腔镜作为输入输出耦合镜，对探针光的透过率为15％；第二、第三平腔镜对探针光高反；第二平腔镜被固定在压电陶瓷上。

所述两个光学参量放大器工作在参量反放大状态，产生正交振幅压缩光；所述50：50光学分束器的两臂干涉位相差控制在90度。

本发明采用了上述技术方案，将连续变量epr纠缠光的制备和腔增强的量子存储相结合，确定性地制备连续变量光和原子系统的量子纠缠。光学参量放大器是非经典光场的有效制备手段之一。电磁诱导透明机制适用于非经典光场的量子存储。将上述技术相结合，可以制备连续变量光和原子系统的量子纠缠。同时，通过光学谐振腔能增强光和原子系统的相互作用，提高光和原子系统的纠缠度。因此，与背景技术相比，本发明具有确定性制备和测量的优点，同时通过光学谐振腔增强了光和原子系统的量子纠缠度。本发明设计的光和原子系统纠缠的产生装置有以下有益效果：

1、本发明所利用的光学谐振腔增强的电磁诱导透明过程的写入作用，将一个连续变量epr纠缠光脉冲的量子态高效率地映射到一个原子系统中，确定性地建立光和原子系统的量子纠缠。

2、本发明所利用的光学谐振腔能够增强电磁诱导透明过程中光和原子系统的相互作用，提高连续变量量子存储效率，最终使得光和原子系统的纠缠度变高。

3、本发明所利用的光学谐振腔增强的电磁诱导透明过程的读出作用，将原子系统的量子态映射到释放光脉冲中，通过测量释放光和另一个纠缠光脉冲的关联噪声，可以确定性验证光和原子系统的量子纠缠。

4、本发明具有好的扩展性，可以利用多个纠缠光脉冲和多个高效量子存储相结合，建立多个量子通道和多个量子节点之间的量子关联，用于未来的量子信息网络。通过频率变换，其中一个量子通道的量子态频率可以和光纤传输窗口匹配，用于量子通信；通过和物质相互作用，其中一个量子通道可以进行量子信息处理；通过量子纠缠交换，其中一个量子通道可以和其它量子网络连接，实现量子互联网。

本发明所产生的连续变量量子通道和量子节点的量子纠缠，适合应用于包含原子的量子信息网络，特别是建立量子信息网络节点之间的纠缠与量子态的传输。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明光源单元的结构示意图；

图3本发明原子系统的能级示意图；

图4本发明光信号的控制时序图；

图5本发明原子系统的结构示意图；

图6本发明测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种量子通道和量子节点之间连续变量量子纠缠的产生装置，包括光源单元1、五套声光调制系统21-25、两个光学参量放大器31-32、50：50光学分束器4、原子系统5和纠缠测量系统6；所述光源单元1设有两束种子光信号as1、as2输出端、控制光信号ac输出端和两束本地振荡光信号al1、al2输出端；所述两束种子光信号as1、as2输出端分别与第二、第三声光调制系统22、23输入端连接，第二、第三声光调制系统22、23输出端分别与两个光学参量放大器31、32输入端连接，两个光学参量放大器31、32输出端分别与第四、第五声光调制系统24、25输入端连接，第四、第五声光调制系统24、25输出端与50：50光学分束器4的两个输入端连接，50：50光学分束器4第一输出端与原子系统5第一输入端连接；控制光信号ac输出端与第一声光调制系统21输入端连接，第一声光调制系统21输出端与原子系统5第二输入端连接，原子系统5输出端与纠缠测量系统6第一输入端连接；50：50光学分束器4第二输出端与纠缠测量系统6第二输入端连接；两束本地振荡光信号al1、al2输出端分别与纠缠测量系统6第三、第四输入端连接。

如图2所示，所述光源单元由可调谐激光器11、单模1x4光纤耦合器12、单模1x2光纤耦合器13和一套声光调制系统14组成。可调谐激光器11输出端与单模1x4光纤耦合器12输入端连接，单模1x4光纤耦合器12第一输出端与单模1x2光纤耦合器13输入端连接，单模1x2光纤耦合器13输出两束本地振荡光信号al1、al2，单模1x4光纤耦合器12第二输出端与声光调制系统14输入端连接，声光调制系统14输出控制光信号ac，单模1x4光纤耦合器12第三、第四输出端输出两束种子光信号as1、as2。所述可调谐激光器11采用低噪声、窄线宽、可调谐钛宝石激光器，钛宝石激光器输出795nm的激光，对应于铷87原子的d1吸收线。声光调制系统14由两套双次穿过的1.7ghz的声光调制器组成，用来实现频移，获得和种子光信号频率相差6.8ghz的控制光信号ac。

如图3所示，所述原子系统5采用铷87原子的5²s1/2的f＝1和f＝2以及5²p1/2的f’＝1的超精细能级。利用钛宝石激光器11的调谐特性和声光调制系统14的移频特性，获得相应波长的光信号。控制光信号ac的频率和5²s1/2的f＝1到5²p1/2的f’＝1的跃迁吸收线有δ＝700mhz的单光子失谐；种子光as和本地振荡光al的频率相同，该频率和5²s1/2的f＝2到5²p1/2的f’＝1的跃迁吸收线有δ＝700mhz的单光子失谐和δ＝0.5mhz的双光子失谐量。

如图4所示，利用五套声光调制系统21-25的开关特性，实现光源单元1中各光信号的时序控制。整个控制周期取1毫秒。平衡零拍探测系统的本地振荡光信号常开，输出强的本地振荡光信号al1和al2。在光和原子相互作用的10微秒内,利用第二、第三声光调制系统22、23将种子光信号as1、as2关闭，其余时间打开并且输出强的模拟光，用于对光学参量放大器和量子存储中光学谐振腔的锁定。在探针光脉冲信号和原子相互作用时间内，利用第四、第五声光调制系统24、25将探针光信号ap1、ap2打开500纳秒，用于量子存储。在探针光信号打开的同时，利用第一声光调制器21将控制光信号ac打开1微秒,实现探针光信号ap1的量子存储；在100纳秒的存储时间后，利用第一声光调制器21再次打开控制光信号ac，将原子系统的量子态读出。

如图1所示，所述两个光学参量放大器31、32工作在参量反放大状态，产生正交振幅压缩光as1和as2。所述50：50光学分束器4的两臂干涉位相差控制在90度。

如图5所示，所述原子系统5由原子部件和光学谐振腔组成。所述原子部件由原子气室51、磁屏蔽系统和温控系统54组成，所述磁屏蔽系统由磁屏壁纸52和磁屏蔽筒53组成；所述原子气室51充有原子气体和一定量的缓冲惰性气体，在原子气室的通光面镀有激光相应波长的减反膜；原子气室51的外层用磁屏蔽纸52包裹，并且放置于金属的磁屏蔽筒53内；在磁屏蔽筒53的外层采用加热带、保温材料和控温仪器组成的温控系统54对铷原子加热并且精确控温。所述光学谐振腔由三片平腔镜55、56、57和两套焦距分别为550mm、-500mm的透镜组58、59组成；光学谐振腔采用三镜环形腔结构，其腔长为705mm；所述第一平腔镜55和第二平腔镜56设在原子部件的两边且位于探针光信号ap1的入射光路上，第三平腔镜57设在探针光信号ap1的反射光路上；第一平腔镜55作为输入输出耦合镜对探针光的透过率为15％；第二、第三平腔镜56、57对探针光高反；第二平腔镜56被固定在压电陶瓷上，用于实现光学谐振腔和探针光共振的锁定；两套焦距分别为550mm、-500mm的透镜组58、59分别设在第一平腔镜55与第三平腔镜57和第二平腔镜55与第三平腔镜57之间，对探针光高透，将腔内光斑放大，以增大光和原子相互作用的区域。

如图6所示，所述纠缠测量系统6由两套平衡零拍探测系统64、65、功率加减法器66和可存储数字示波器67组成；第一套平衡零拍探测系统64由50：50光学分束片60a、两个平衡零拍探测器61a、62a、和功率减法器63a构成，第二套平衡零拍探测系统65由50：50光学分束片60b、平衡零拍探测器两个61b、62b和功率减法器63b构成；两套平衡零拍探测系统分别对原子系统5的释放光脉冲信号a’p1和探针光脉冲信号ap2的正交分量进行测量；最后通过功率加减法器66和可存储数字示波器67对它们的关联噪声进行测量、分析，验证连续变量光和原子系统的纠缠，也就是量子通道和量子节点之间的纠缠。

根据段路明等人提出的不可分判据可以对光和原子系统纠缠态进行判断。如果释放光脉冲信号a’p1和探针光脉冲信号ap2的关联噪声满足如下不等式：

<δ²(xa'p1+xap2)>+<δ²(ya'p1-yap2)>≤4,

那么，释放光脉冲信号a’p1和探针光脉冲信号ap2之间存在纠缠，也就建立了光和原子系统之间存在纠缠。其中，x和y分别表示正交振幅和正交位相分量。