一种基于光频梳的量子光源及其产生量子态的方法与流程

本技术属于量子信息，具体而言，涉及一种基于光频梳的量子光源及其产生量子态的方法。

背景技术：

1、光频梳全称为光学频率梳，指的是在频谱上由一系列间隔均匀且具有稳定的相干相位关系的频率分量所组成的光谱。光频梳在频域上表现为具有相同频率间隔的频谱序列，在时域上则表现为超短脉冲序列，其在频域上的频率间隔与其在时域上的脉冲宽度严格遵守傅里叶变换关系。目前产生光频梳的方式主要有：基于激光外调制法、基于调制器的循环频移、基于布里渊循环频移、基于光纤的非线性效应、基于锁模激光器或利用微腔结构产生光频梳。

2、片上量子光源通常采用螺旋形波导线线圈或微环结构发生四波混频过程而获取。当需要进行双光子干涉等操作时，需要量子光源提供两个波长一致的纠缠光子对，此时可以采用四波混频效应产生纠缠光子对。在四波混频过程中，根据能量守恒条件，若输出两个波长一致的光子，则需要输入两个波长不同的光子，因此需要两个不同波长的激光器泵浦相应波长的光，结构复杂、成本高且系统不稳定。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种基于光频梳的量子光源及其产生量子态的方法，利用微环谐振腔基于泵浦光产生光频梳，通过波分解复用器将光频梳中不同频率分量的光分离并对不同频率分量的光衰减且将衰减后关于光频梳中心频率对称的两个频率分量传输至同一个螺旋形波导线圈中，每个螺旋形波导线圈以一定概率产生波长相同的纠缠光子对，本技术中设置多个螺旋形波导线圈，所有传输至螺旋形波导线圈的光均来自于一个光频梳，而此光频梳基于一个激光器输出的泵浦光产生，达到由一个激光器产生量子光源阵列的效果。其具体方案如下：

2、第一方面，本技术公开了一种基于光频梳的量子光源，包括激光器、微环谐振腔、波分解复用器、强度调制模块、合束模块、双光子产生模块和第一相位调制器；

3、所述激光器用于输出泵浦光并将所述泵浦光传输至所述微环谐振腔；

4、所述微环谐振腔基于所述泵浦光产生光频梳，由总线直波导和微环组成，所述总线直波导用于接收泵浦光并将泵浦光以倏逝耦合的方式输入至所述微环内，所述微环基于四波混频效应产生多个等间距的离散频率分量并形成光频梳，所述光频梳以其中心频率为对称轴左右对称；

5、所述波分解复用器与所述微环谐振腔连接，用于对所述微环谐振腔输出的光频梳路径分配，使不同频率分量的光分离；

6、所述强度调制模块包括n个光衰减器，每个所述光衰减器用于对应接收一个频率分量的光并对接收的光的强度调制，其中n为≥4的偶数；

7、所述合束模块包括n/2个第一50:50分束器，每个第一50:50分束器的两个输入端分别连接一个光衰减器，用于对两个所述光衰减器输出的光合束且每个第一50：50分束器连接的两个所述光衰减器分别接收的光的频率分量关于中心频率对称；

8、所述双光子产生模块包括n/2个螺旋形波导线圈，每个所述螺旋形波导线圈对应连接一个所述第一50:50分束器，用于接收对应第一50:50分束器输出的合束光并基于合束光以一定概率产生波长相同的纠缠光子对；

9、所述第一相位调制器的数量为(n/2)-1个，分别与(n/2)-1个所述螺旋形波导线圈的输出端一一对应连接，用于对输入其上的纠缠光子对的相位进行调制。

10、进一步地，所述量子光源还包括n个波导分束器、n个光电探测器和一个控制芯片，每个所述波导分束器的输入端对应连接一个所述光衰减器，每个所述波导分束器的两个输出端分别对应连接一个光电探测器和相应第一50:50分束器的一个输入端，所述波导分束器用于接收对应光衰减器输出的光束并进行分束，使一部分光束输入至所述光电探测器，另一部分光束输入至相应连接的第一50:50分束器的一个输入端；n个所述光电探测器和n个所述光衰减器均与所述控制芯片连接，所述光电探测器用于探测传输到其上的光的强度并将强度反馈给所述控制芯片，所述控制芯片基于每个所述光电探测器反馈的光强对应调节相应所述光衰减器的衰减强度。

11、优选地，所述波分解复用器为阵列波导光栅。

12、进一步地，所述光衰减器由两个第二50:50分束器、干涉上臂、干涉下臂和第二相位调制器组成，所述干涉上臂的两端分别连接两个所述第二50:50分束器的输出上端，所述干涉下臂的两端分别连接两个所述第二50:50分束器的输出下端，所述第二相位调制器设置在干涉上臂或干涉下臂上。

13、优选地，所述波导分束器分束比均为(90+m)：(10-m)，其中m为小于10的正整数。

14、优选地，所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管。

15、进一步地，所述阵列波导光栅包括输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器和若干个输出波导；所述输入波导用于将微环谐振腔输出的光频梳输入至所述输入星形耦合器，所述阵列波导包括若干个长度等间隔增加的传输波导，每个所述传输波导的两端分别连接所述输入星形耦合器和所述输出星形耦合器，所述输入星形耦合器用于将接收的光均匀分配到所述阵列波导中，所述阵列波导用于对不同传输波导接收的光产生相位差并将不同波长的光聚焦在所述输出星形耦合器的不同位置，所述输出波导的输入端口设置在所述输出星形耦合器的聚焦点上，用于输出相应波长的光。

16、优选地，所述第一相位调制器和所述第二相位调制器均为热调型相位调制器或电光相位调制器。

17、第二方面，本技术公开了一种基于光频梳的量子光源产生量子态的方法，所述方法应用于上述的基于光频梳的量子光源，量子光源包括激光器、微环谐振腔、波分解复用器、强度调制模块、合束模块、双光子产生模块和第一相位调制器，所述微环谐振腔由总线直波导和微环组成，所述强度调制模块包括n个光衰减器，所述合束模块包括n/2个第一50:50分束器，所述双光子产生模块包括n/2个螺旋形波导线圈，所述第一相位调制器的数量为(n/2)-1个，其中n为≥4的偶数；所述方法包括：

18、激光器输出泵浦光；

19、微环谐振腔的总线直波导接收泵浦光并将泵浦光以倏逝耦合的方式输入至微环内，微环基于四波混频效应产生多个等间距的离散频率分量并形成光频梳；

20、波分解复用器对微环谐振腔输出的光频梳径路分配，使不同频率分量的光分离；

21、每个光衰减器对应接收一个频率分量的光并对接收的光的强度调制；

22、每个第一50:50分束器接收两个光衰减器输出的光并进行合束且两个光衰减器分别接收的光的频率分量关于光频梳的中心频率对称；

23、每个螺旋形波导线圈接收对应的第一50:50分束器输出的合束光并基于合束光以一定概率产生波长相同的纠缠光子对；

24、一个螺旋形波导线圈输出的纠缠光子对直接输出，另(n/2)-1个螺旋形波导线圈输出的纠缠光子对分别一一对应输入至第一相位调制器进行相位调制，经过相位调制后输出。

25、进一步地，当所述量子光源还包括n个波导分束器、n个光电探测器和一个控制芯片时，所述方法还包括：

26、每个波导分束器接收对应连接的光衰减器输出的光并进行分束，使一部分光束输入至光电探测器，另一部分光束输入至相应连接的第一50:50分束器的一个输入端；

27、每个光电探测器探测传输其上的光束强度并将探测结果反馈给控制芯片，控制芯片基于每个光电探测器反馈的探测结果调节相应光衰减器的衰减强度。

28、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

29、本技术提供了一种基于光频梳的量子光源及其产生量子态的方法，量子光源包括激光器、微环谐振腔、波分解复用器、强度调制模块、合束模块、双光子产生模块和第一相位调制器，微环谐振腔基于激光器输出的泵浦光产生光频梳，通过波分解复用器将光频梳中不同频率分量的光分离并对不同频率分量的光衰减，且将衰减后关于光频梳的中心频率对称的两个频率分量传输至螺旋形波导线圈，每个螺旋形波导线圈基于非线性作用以一定概率产生波长相同的纠缠光子对；本技术中设置多个螺旋形波导线圈，所有传输至螺旋形波导线圈的光均来自于一个光频梳，而此光频梳基于一个激光器输出的泵浦光产生，因此达到由一个激光器产生量子光源阵列的效果，减少了所需激光器的数量，降低成本的同时增强了系统稳定性。此外，由于光频梳中各个频率分量间保持相干特性，因此基于此方法可获取高维量子纠缠态。