高维路径纠缠源的制备及判断方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及量子信息技术领域，尤其设及一种高维路径纠缠源的制备及判断方 法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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W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。
[0004] 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。累浦光的波失为kp束腰大小为《。，那么产生双光子态函数为：
[0005]
[0006] 其中，（1。Pi)对应于信号光的模式，（12,P2)对应于闲散光的模式，1和P分别代 表了LG模中的两个量子数。表的是量子力学狄拉克表示中的几率幅。
[0007] 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。
【发明内容】
[0008] 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W有效的扩展到很高的维度，而且可W得到保真度较高的纠缠 态。
[0009] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0010] 一种高维路径纠缠源的制备及判断方法，包括：
[0011] 设置一预定角度的半波片对输入的单偏振累浦光进行偏振处理；
[0012] 利用一个或多个光束平移器抓对偏振处理后的单偏振累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抓处理后的水平偏振光H光处理为竖直偏振光V 光；
[0013] 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 而完成局维路径纠缠源的制备；
[0014] 利用抓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。
[0015] 进一步的，进行二维路径纠缠源制备的步骤包括：
[0016] 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；
[0017] 利用一个抓对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；
[0018] 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。
[0019] 进一步的，进行S维路径纠缠源制备的步骤包括：
[0020] 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；
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 利用抓2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， 贝1JBD2射出的光自上向下排布为H光、H光及V光；
[0024] 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S束V光；
[00巧]该=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=维路径纠缠源的制备。
[0026] 进一步的，高维路径纠缠源制备时，抓与抓之间、半波片与半波片之间，W及抓与 半波片之间均为平行放置。
[0027] 进一步的，所述利用抓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：
[0028] 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累浦 光成3°角，不同的累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；
[0029] 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；
[0030] 上方的V光与下方的H光射入抓后，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；
[0031] 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。
[0032] 由上述本发明提供的技术方案可W看出，利用半波片与抓将射入的单偏振累浦 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W广泛使用于需要高维纠 缠的情况下；同时，该方案可W有效的扩展到很高的维度，并且可W得到保真度很高的纠缠 态。
【附图说明】
[0033] 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W根据该些附图获得其他 附图。
[0034] 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； [00巧]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；
[0036] 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；
[0037] 图4为本发明实施例提供的制备S维路径纠缠源的示意图；
[0038] 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；
[0039] 图6为本发明实施例提供的判断S维路径纠缠源的保真度的示意图。
【具体实施方式】
[0040] 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。
[0041] 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，W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I〇〉），如果下路有光子上路没有光子编 码为1(量子态表示为I1〉），该样就可W构成一个两维的路径编码。如果有=路则可W构成 一个=维的路径编码，更高维的编码可此类推。
[0042] 同时，本方案还利用了非线性晶体参量下转换过程。即一束累補光照射在一块非 线性晶体上（比如BB0晶体）会自发的劈裂成两束光，S光（信号光）和i光（闲散光）。 该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W S光和i光会沿着特定的方向产生。该样的两个光子可W认为是同时产生，可W利用符合仪 进行测量。
[0043] 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：
[0044] 步骤11、设置一预定角度的半波片对输入的单偏振累浦光进行偏振处理。
[0045] 步骤12、利用一个或多个抓（光束平移器）对偏振处理后的单偏振累浦光进行分 束与平移处理，并利用一预定角度的半波片将经过抓处理后的水平偏振光H光处理为竖直 偏振光V光。
[0046] 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。
[0047] 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W上纠 缠源的制备，为了便于理解，下面W制备二维与S维路径纠缠源为例进行说明。
[004引如图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：
[0049] 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。
[0050] 2)利用一个抓对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。
[0051] 一般抓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。
[0052] 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。
[005引本示例中，非线性晶体可W为I型的BB0晶体；该两束V光射入I型的BB0晶体后 会在W光线为中轴3°角的锥面产生参量光，由一个累浦光劈裂开的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BB0晶体上如图2会在W两束光为中屯、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。
[0054]如果W1，2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）。
[00巧]此时产生的纠缠态为；
[0056] 1])>=a|00> +be"* | 11? ；
[0057] 其中，a和bei**是量子态中的几率幅巧项中间的位相是依据实际使用中测量装 置而定，可W任意调节。因为在产生的过程中无法观