高维路径纠缠源的制备及判断方法与流程

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种高维路径纠缠源的制备及判断方法。

背景技术：

量子纠缠是一种非常重要的资源；比如量子信息领域如量子隐形传态，量子密集编码。对于使用光子实现量子纠缠现在最常用的方式就是使用各种非线性晶体通过自发参量下转换过程来实现。而对于高维纠缠对于光学领域最主要的实现方法利用拉格朗日-高斯模中光子的轨道角动量来实现。

1992年，allen等人就观察到了不同的laguerre-gaussian(lg)光携带不同的轨道角动量，可以用光子的轨道角动量编码。2001年mair等人在实验室上证明自发参量下转换过程中产生的双光子在轨道角动量上是纠缠的。

具体的过程是，在自发参量下转换过程中，一块薄的非线性晶体被一束z方向传播的激光激发。泵浦光的波失为kp束腰大小为ω0，那么产生双光子态函数为：

其中，(l1，p1)对应于信号光的模式，(l2，p2)对应于闲散光的模式，l和p分别代表了lg模中的两个量子数。代表的是量子力学狄拉克表示中的几率幅。

然而，上述都是基于理论所提出的方法，实际上通过上述方法制备与读取纠缠源是比较困难的事情，并且很难保证保真度做到很高。

公开内容

本发明的目的是提供一种高维路径纠缠源的制备及判断方法，具有成本低、容易实现的优点；同时，不仅可以有效的扩展到很高的维度，而且可以得到保真度较高的纠缠态。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高维路径纠缠源的制备及判断方法，包括：

设置一预定角度的半波片对输入的单偏振泵浦光进行偏振处理；

利用一个或多个光束平移器bd对偏振处理后的单偏振泵浦光进行分束与平移处理，并利用一预定角度的半波片将经过bd处理后的水平偏振光h光处理为竖直偏振光v光；

将所有v光射入预先设置的非线性晶体中，每一射入的v光均产生两路参量光，从而完成高维路径纠缠源的制备；高维路径纠缠源制备时，bd与bd之间、半波片与半波片之间，以及bd与半波片之间均为平行放置；

利用bd对高维路径纠缠源中的光进行转换，并进行态层析，从而判断高维路径纠缠源的保真度；

其中，进行三维路径纠缠源制备的步骤包括：

设置一个17.6°的半波片对输入的h光进行偏振处理，处理后的光为h光与v光的叠加；

利用bd1对h光与v光进行分束与平移处理，其中，h光沿着之前的方向传播，v光则向下平移一段距离；

并分别利用0°与22.5°的半波片对从bd1射出的h光与v光进行偏振处理；其中，上方的h光经过0°半波片后，依然为h光，而下方的v光经过22.5°半波片后变为h光与v光的叠加；

利用bd2对于偏振处理后的光进行分束与平移处理；其中，上方的h光保持之前的方向传播，下方的h光与v光分束后，h光保持之前的方向传播，v光则向下平移一段距离，则bd2射出的光自上向下排布为h光、h光及v光；

分别对应的利用45°、45°与0°的半波片对从bd2射出光进行偏振处理，变成自上向下排布的三束v光；

这三束v光射入预先设置的非线性晶体中，每一射入的v光均产生两路参量光，从而完成三维路径纠缠源的制备；

进行二维路径纠缠源制备的步骤包括：

设置一个22.5°的半波片对输入的h光或v光进行偏振处理，处理后的光为h光与v光的叠加，形成45°的线偏振光；

利用一个bd对h光与v光进行分束与平移处理；其中，h光沿着之前的方向传播，v光则向下平移一段距离，并利用一个45°的半波片将h光处理为v光；

两路v光射入预先设置的非线性晶体中，每一射入的v光均产生两路参量光，从而完成二维路径纠缠源的制备；

所述利用bd对高维路径纠缠源中的光进行转换，并进行态层析，从而判断高维路径纠缠源的保真度包括：

对于二维路径纠缠源，每一v光所产生的两路参量光均在实验室水平面内与泵浦光成3°角，不同的泵浦光产生的参量光竖直排列，将相邻v光所产生的参量光单独引出；其中，参量光均为h光；

引出的参量光呈上下排布，利用45°的半波片将上方的h光处理为v光；

上方的v光与下方的h光射入bd后，下方的h光保持之前的方向传播，v光则向下平移一段距离且与h光合并为一束光射出，实现路径编码至偏振编码的转换；

转换后的光，依次射入四分之一波片、半波片、偏振分束器及单光子探测器，进行态层析，从而判断高维路径纠缠源的保真度；

对于三维路径纠缠源，每一v光所产生的两路参量光均在实验室水平面内与泵浦光成3°角，不同的泵浦光产生的参量光竖直排列，将相邻v光的参量光单独引出；其中，参量光均为h光；

引出的参量光呈上下排布，分别利用半波片对上方的光、中间的光和下方的光进行处理；

上方的光、中间的光与下方的光射入bd1后，中间的光和下方的光保持之前的方向传播，上方的光则向下平移一段距离且与中间的光合并为一束光射出，合并的一束光与下方的光射入bd2后，下方的光保持之前的方向传播，合并的一束光则向下平移一段距离且与下方的光二次合并为一束光射出，实现路径编码至偏振编码的转换；

转换后的光，依次射入四分之一波片、半波片、偏振分束器及单光子探测器，进行态层析，从而判断高维路径纠缠源的保真度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用半波片与bd将射入的单偏振泵浦光分成等能量的v光，经过非线性晶体的v光会产生两束参量光，该方案相较于传统使用光子角动量实现的高维纠缠而言，具有成本低，易于调节与实现，可以广泛使用于需要高维纠缠的情况下；同时，该方案可以有效的扩展到很高的维度，并且可以得到保真度很高的纠缠态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种高维路径纠缠源的制备及判断方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的制备二维路径纠缠源的示意图；

图3为本发明实施例提供的光束平移器分束与平移的原理图；

图4为本发明实施例提供的制备三维路径纠缠源的示意图；

图5为本发明实施例提供的判断二维路径纠缠源的保真度的示意图；

图6为本发明实施例提供的判断三维路径纠缠源的保真度的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种高维路径纠缠源的制备及判断方法，该方案使用了路径编码的方式来实现。路径编码的方式如下：路径编码是利用路径里有无光子来实现编码的一种方式，以最简单的单qubit为例，如果存在两条路径(分别叫做上路和下路)，则有：如果上路有光子下路没有光子编码为0(量子态表示为|0＞)，如果下路有光子上路没有光子编码为1(量子态表示为|1＞)，这样就可以构成一个两维的路径编码。如果有三路则可以构成一个三维的路径编码，更高维的编码可以以此类推。

同时，本方案还利用了非线性晶体参量下转换过程。即一束泵秿光照射在一块非线性晶体上(比如bbo晶体)会自发的劈裂成两束光，s光(信号光)和i光(闲散光)。这个过程保持动量守恒和能量守恒，根据对晶体不同的切割方式，会有不同的匹配角，所以s光和i光会沿着特定的方向产生。这样的两个光子可以认为是同时产生，可以利用符合仪进行测量。

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、设置一预定角度的半波片对输入的单偏振泵浦光进行偏振处理。

步骤12、利用一个或多个bd(光束平移器)对偏振处理后的单偏振泵浦光进行分束与平移处理，并利用一预定角度的半波片将经过bd处理后的水平偏振光h光处理为竖直偏振光v光。

步骤13、将所有v光射入预先设置的非线性晶体中，每一射入的v光均产生两路参量光，从而完成高维路径纠缠源的制备。

前述步骤11～步骤13为高维路径纠缠源制备的过程，其适用于二维路径以上纠缠源的制备，为了便于理解，下面以制备二维与三维路径纠缠源为例进行说明。

如图2所示，为制备二维路径纠缠源的示意图，其主要包括如下步骤：

1)设置一个22.5°的半波片对输入的h光或v光进行偏振处理，处理后的光为h光与v光的叠加，形成45°的线偏振光。

2)利用一个bd对h光与v光进行分束与平移处理；其中，h光沿着之前的方向传播，v光则向下平移一段距离，并利用一个45°的半波片将h光处理为v光。

一般bd都由双折射晶体做成，其作用是将一束入射光分成平行的h光和v光，如图3所示，h光沿着不变的方向传播，v光向下平移一段距离。

3)两路v光射入预先设置的非线性晶体中，每一射入的v光均产生两路参量光，从而完成二维路径纠缠源的制备。

本示例中，非线性晶体可以为i型的bbo晶体；这两束v光射入i型的bbo晶体后会在以光线为中轴3°角的锥面产生参量光，由一个泵浦光劈裂开的s光和i光角动量守恒，每对光子出现在圆锥对称的方向上，在实际的应用中一般收集水平方向上对称的两光子做成参量光源。现在有两束v光光入射到bbo晶体上如图2会在以两束光为中心3°角的圆锥面产生参量光，偏振均为h光，此时二维的路径纠缠源就制备成功。

如果以1，2路h光为第一个路径qubit(如果1路有光子2路没有光子编码为0，如果1路没有光子2路有光子编码为1)，3，4路h光为第二个路径qubit(编码使用与1、2路相同的规则)。

此时产生的纠缠态为：

|ψ＞＝a|00＞±be^iφ|11＞)；

其中，a和be^iφ是量子态中的几率幅；两项中间的位相是依据实际使用中测量装置而定，可以任意调节。因为在产生的过程中无法观察到路径高维纠缠的相位，因此只能在测量的时候体现出来，通过微调测量bd的角度就可以调节中间的相位。

如图4所示，为制备三维路径纠缠源的示意图，其主要包括如下步骤：

1)设置一个17.6°的半波片对输入的h光进行偏振处理，处理后的光为h光与v光的叠加。

2)利用bd1对h光与v光进行分束与平移处理，其中，h光沿着原来的方向传播，v光则向下平移一定的距离。

3)并分别利用0°与22.5°的半波片对从bd1射出的h光与v光进行偏振处理；其中，上方的h光经过0°半波片后，依然为h光，而下方的v光经过22.5°半波片后变为h光与v光的叠加。

4)利用bd2对于偏振处理后的光进行分束与平移处理；其中，上方的h光保持之前的方向传播，下方的h光与v光分束后，h光保持之前的方向传播，v光则向下平移一段距离，则bd2射出的光自上向下排布为h光、h光及v光。

5)分别对应的利用45°、45°与0°的半波片对从bd2射出光进行偏振处理，变成自上向下排布的三束v光。

6)这三束v光射入预先设置的非线性晶体中，每一射入的v光均产生两路参量光，从而完成三维路径纠缠源的制备。

此时会产生的六路参量光其分布和原理与二维路径纠缠源的类似，利用0，1，2进行编码，其纠缠态为：

依据相同的原理，就可以更高维的纠缠制备出来，比如四维纠缠态利用0，1，2，3进行编码，其纠缠态为：

上述高维路径纠缠源制备时，bd与bd之间、半波片与半波片之间，以及bd与半波片之间均为平行放置。

另外，本方案不仅可制备出最大纠缠态，还可以依据比例制备出其他形式的纠缠态，如果改变输入光的的分光比例就可以得到不同的纠缠态。以二维纠缠为例，如果把两束泵浦光的分光比设计为2∶1的话，造出的纠缠态即为：

通过这种方法可以使其产生任意这种形式的纠缠态：

|ψ＞＝a|00＞±be^iφ|11＞)；

同样的再高维的也可以类似的形式产生。

另一方面，维度增加的方式除了利用bd竖直方向将泵浦分开之外也可以使用bd水平分束，这样的话就可以将泵浦光分成多行多列的功率相等的阵列，有多少束泵浦光入射到bbo晶体，就可以产生多少维的纠缠源。需要说明的，如果使用水平分束的，则为了使同一光子对的光程保持一致，需要进行补偿。

步骤14、利用bd对高维路径纠缠源中的光进行转换，并进行态层析，从而判断高维路径纠缠源的保真度。

本步骤可通过现有的常规方法实现，以二维路径纠缠源的保真度判断方法为例，其具体步骤如下：

1)每一v光所产生的两路参量光均在实验室水平面内与泵浦光成3°角，不同的泵浦光产生的参量光竖直排列，将相邻v光的参量光单独引出；其中，参量光均为h光；

2)引出的参量光呈上下排布，利用45°的半波片将上方的h光处理为v光；

3)上方的v光与下方的h光射入bd后，下方的h光保持之前的方向传播，v光则向下平移一段距离且与h光合并为一束光射出，实现路径编码至偏振编码的转换；

4)转换后的光，依次射入四分之一波片、半波片、偏振分束器及单光子探测器，进行态层析，从而判断高维路径纠缠源的保真度。

示例性的，以前述制备的二维路径纠缠源为例，判断二维路径纠缠源的保真度的示意图如图5所示。将图2中的光源的1，2路单独引出，制作测量基，在上路中加入一个半波片置于45°，使得上路的h光变为v光，再经过一个bd将两束光合并，从而就将原来的路径编码转化成了偏振编码，其中，路径编码中的0对应偏振编码中的v，路径编码中的1对应于偏振编码中的h，确定偏振编码的纠缠就可以确定路径编码的纠缠，之后再加入四分之一波片(qwp)，半波片(hwp)、偏振分束器(pbs)以及单光子探测器(d)这样就构成了一个对单qubit基的测量装置，再依据态层析的方法，从而判断二维路径纠缠源的保真度。

判断三维路径纠缠源的保真度的方式类似，如图6所示。

利用图5中最后的测量装置测量，16组基分别是：

其中，h光代表的水平偏振光基，v代表的是竖直偏振光，r代表左旋光基(h+iv)，d代表45°线偏振基(h+v)，l代表右旋光基(h-iv)，这样就可以把测量路径纠缠的问题转换成测量偏振纠缠的层析技术；而现在的偏振层析技术已经很成熟。

需要强调的是，对于bbo晶体来说，不同的光入射产生的光也是不同的，本实施例上述方案中，bbo晶体、bd与半波片均为平行设置，因此，bbo晶体只对v光响应，当v光入射时会产生两个h光的参量光，当h光入射时就不会产生参量光。但是，本实施例中的h光和v光是相对于实验室坐标的定义，相对于晶体来说，当将上述的bbo晶体旋转90°，这时晶体感受到的光的偏振方向发生了改变，这时只对h光响应产生两束v光的参量光。所以本方案的可以任意改变泵浦光的偏振，需要bbo晶体光轴进行响应的调整。

本发明实施例的上述方案，利用半波片与bd将射入的单偏振泵浦光分成等能量的v光，经过非线性晶体的v光会产生两束参量光，该方案相较于传统使用光子角动量实现的高维纠缠而言，具有成本低，易于调节与实现，可以广泛使用于需要高维纠缠的情况下；同时，该方案可以有效的扩展到很高的维度，并且可以得到保真度很高的纠缠态。

至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。