一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置及方法【专利摘要】本发明提供了一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置及方法，由光通信波段连续单频光纤激光器、倍频器、信号光模式清洁器、泵浦光模式清洁器、双色镜、带压电陶瓷的全反射平面镜、三共振非简并光学参量放大器、晶体温度控制仪、腔长和位相锁定系统、第一45°高反平面镜和量子纠缠源探测系统组成。本发明提供一种结构紧凑、稳定性好、与光通信波段相匹配的连续变量量子纠缠源产生装置及方法，该装置采用单个三共振非简并光学参量放大器直接制备光通信波段连续变量量子纠缠源，该波段量子纠缠源在光纤中传输损耗仅为0.2dB/km，不仅可以实现信息的高保真传输，而且与现有的光通信系统兼容，成为实用化量子网络的理想光源。【专利说明】一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置及方法
技术领域：
[0001]本发明涉及连续变量量子光学和量子信息领域，具体是一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置及方法。【
背景技术：
】[0002]量子纠缠源的独特性在于一个系统的子系统之间表现出非定域的关联性，对一个子系统的观测必然会影响到其他子系统的测量结果。连续变量量子纠缠源由于其制备的无条件性、探测的高效性而受到广泛关注，已被用于量子离物传态，量子密集编码和量子保密通信等研究。光通信波段I.5μπι连续变量量子纠缠源也成为实用化连续变量量子信息科学研究的重要资源。对于实用化的量子信息网络，信息需要在不同节点之间传输，光场作为理想的载体可以实现对信息的高保真传输。光通信波段量子纠缠源由于在光纤中传输损耗仅为0.2dB/km，不仅可以实现信息的高保真传输，而且与现有的光通信系统兼容，成为实用化量子网络的理想光源。而在实用化的量子保密通信中，利用光通信波段量子纠缠源作为光源可以显著提高其量子信道对额外噪声容忍度，从而提高安全密钥速率、增加传输距离。[0003]目前光学参量放大或者光学参量振荡过程是产生连续变量量子纠缠源的有效方法。Xl|^“Stablecontrolof10dBtwo-modesqueezedvacuumstatesoflight,Opt.Expres.21，11546(2013)”报道了利用两个简并的基于周期极化晶体的双共振光学参量振荡器输出两个单模压缩态，通过两个单模压缩态在50/50分束器耦合产生了光通信波段1.5Mi连续变量量子纠缠源。但是，上述文章采用双共振简并光学参量振荡器，栗浦光双次穿过光学参量振荡器其内腔功率密度低，导致光学参量振荡器的阈值很高。其次，上述文章是采用两个光学参量振荡器输出的压缩态光场耦合产生量子纠缠源，系统较复杂，而且需要锁定的位相及腔长有多处，导致系统整体的稳定性较差，限制了其实际应用。【
发明内容】[0004]本发明的目的在于提供一种结构紧凑、稳定性好、与光通信波段相匹配的连续变量量子纠缠源产生装置及方法，该装置及方法采用单个三共振非简并光学参量放大器可以制备光通信波段连续变量量子纠缠源，而且对该量子纠缠源的测量不需要本底振荡信号。[0005]本发明所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置是采用如下技术方案实现的:一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置，包括一个光通信波段连续单频光纤激光器，所述光通信波段连续单频光纤激光器的一个出射光路上顺次设有信号光模式清洁器、双色镜以及三共振非简并光学参量放大器;所述光通信波段连续单频光纤激光器的另一个出射光路上设有倍频器，倍频器的出射光路上顺次设有栗浦光模式清洁器和带压电陶瓷的全反射平面镜;所述三共振非简并光学参量放大器位于双色镜的透射光路上;双色镜与全反射平面镜的位置关系能够保证由倍频器的出射的光经全反射平面镜和双色镜反射后与双色镜的透射光路共线；所述三共振非简并光学参量放大器包括两镜光学谐振腔、位于两镜光学谐振腔内的可以精细调节温度和角度的控温炉以及放置在控温炉中的非线性晶体;所述非线性晶体为II类温度匹配周期极化晶体;还包括用于控制全反射平面镜的反射角度以及两镜光学谐振腔腔长的腔长和位相锁定系统;三共振非简并光学参量放大器的出射光路上设有量子纠缠源探测系统。[0006]通过调节晶体的温度和角度实现光学参量放大器中栗浦光、注入信号光(ο光和e光)三模共振。[0007]所述腔长和位相锁定系统包括第一光电探测器、位相调制器、隔离器、第二光电探测器，混频器、信号发生器、低通滤波器、锁相放大器、比例积分微分控制器和高压放大器；所述位相调制器和隔离器顺次位于信号光模式清洁器和双色镜之间，由隔离器提取出携带三共振非简并光学参量放大器谐振腔的反馈信号的支路，所述第一光电探测器位于该支路上;第一光电探测器的信号输出端与混频器的一个信号输入端相连接，信号发生器的信号输出端分别与位相调制器的信号输入端以及混频器的另一个信号输入端相连接;混频器的信号输出端通过低通滤波器与比例积分微分控制器的一个信号输入端相连接；三共振非简并光学参量放大器的出射光路上设有第一45°高反平面镜，量子纠缠源探测系统位于第一45°高反平面镜的反射光路上;所述第二光电探测器位于第一45°高反平面镜的透射光路上;第二光电探测器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端相连接，锁相放大器的信号输出端与比例积分微分控制器的另一个信号输入端相连接，比例积分微分控制器的信号输出端与高压放大器的信号输入端相连接，高压放大器的两个信号输出端分别与全反射平面镜所配的压电陶瓷以及两镜光学谐振腔所匹配的压电陶瓷相连接。[0008]进一步的，所述信号光模式清洁器和栗浦光模式清洁器均由两个45°高反平面镜和一个曲率半径为Im的凹面镜构成，组成三镜环形无源谐振腔，腔长为1.03m，谐振腔精细度为500。[0009]被过滤的激光经过第一个45°高反平面镜耦合进入谐振腔，分别经过第二个45°高反平面镜、凹面镜和第一个45°高反平面镜形成光路闭合并在腔内谐振，再经第二个45°高反平面镜输出，实现对三共振非简并光学参量放大器的注入信号光和栗浦光空间模式和额外噪声的过滤。[0010]所述的腔长和位相锁定系统用于实现对三共振非简并光学参量放大器谐振腔腔长、注入信号光和栗浦光相对位相的锁定。[0011]进一步的，光通信波段连续单频光纤激光器出射激光中心波长为1.5μπι，所述的倍频器由两镜光学谐振腔和I类温度匹配周期极化晶体构成，倍频器出射的激光中心波长为775nm0[0012]本发明所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生方法是采用如下技术方案实现的:一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生方法，包括如下步骤:(a)光通信波段连续单频光纤激光器作为激光光源，输出的激光一部分用于抽运倍频器，获得倍频后的连续单频激光；另一部分激光通过信号光模式清洁器，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声;倍频器出射的连续单频激光通过栗浦光模式清洁器，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声；(b)上述两束激光通过双色镜后，均注入三共振非简并光学参量放大器，分别作为三共振非简并光学参量放大器的注入信号光场和栗浦光场;全反射平面镜用于控制注入信号光场和栗浦光的相对位相;注入信号光以45°偏振方向入射到三共振非简并光学参量放大器，该光束进入II类温度匹配周期极化晶体后分解成频率相同偏振正交的两束光ο光和e光;精确控制非线性晶体的温度达到最佳温度匹配条件，此时O光和e光在三共振非简并光学参量放大器腔内同时共振;通过精细调节非线性晶体的旋转角度，改变非线性晶体在三共振非简并光学参量放大器腔内的有效光学长度，从而补偿色散，使得栗浦光与上述两束光在三共振非简并光学参量放大器腔内同时共振，实现三共振条件(此时三共振非简并光学参量放大器腔内栗浦光的功率密度很高，有效较低光学参量振荡的阈值，同时获得高的经典增益)；(C)通过腔长和位相锁定系统将三共振非简并光学参量放大器的腔长锁定在注入信号光束的共振频率上，将注入信号光和栗浦光的相对相位锁定在I此时三共振非简并光学参量放大器运转于反放大状态，输出具有振幅反关联、位相正关联的量子纠缠态光场；(d)输出的量子纠缠态光场进入量子纠缠源探测系统，采用贝尔态直接探测系统测量输出光场的量子纠缠度。[0013]与现有技术相比本发明设计的一种光通信波段相匹配的连续变量量子纠缠源产生装置以及方法有如下优点:本发明设计的光通信波段1.5μπι连续变量量子纠缠源产生装置，由于该波段量子纠缠源在光纤中传输损耗仅为0.2dB/km，不仅可以实现信息的高保真传输，而且与现有的光通信系统兼容，成为实用化量子网络的理想光源。[0014]本发明采用高精度窄带宽光学模式清洁器将1.5μπι以及775nm激光光源的噪声降低至散粒噪声基准，现有的1.5μπι激光光源噪声基本都远高于散粒噪声基准，这是1.5μπι量子纠缠源制备发展缓慢的主要原因。该方法有效降低了激光光源的额外噪声，提高了1.5μπι量子纠缠源的纠缠度。[0015]本发明设计了单个三共振非简并光学参量放大器产生量子纠缠源的简单装置，通过控制II类温度匹配PPKTP晶体的温度和角度即可以实现光学参量放大腔内的三模共振。当光学参量放大器运转于反放大状态时，光学参量放大器输出的两束光波长均为1.5μηι偏振正交，是正交振幅反关联、正交位相正关联的明亮纠缠光束。在相同的栗浦功率下，栗浦光也共振的三共振情况更容易达到阈值，获得更高的经典增益。[0016]总之，本发明设计的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置以及方法具有结构简单、系统稳定、与现有光通信系统兼容等优点，在实用化的量子信息领域具有重要的应用价值。【附图说明】[0017]图1是本发明一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置的原理框图，图中:1-光通信波段连续单频光纤激光器，2-倍频器，3-信号光模式清洁器，4-栗浦光模式清洁器，5-双色镜，6-全反射平面镜，7-三共振非简并光学参量放大器，8-晶体温度控制仪，9-腔长和位相锁定系统，10-第一45°高反平面镜，11-量子纠缠源探测系统。[0018]图2是本发明所述光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置的结构示意图，图中:90-第一光电探测器，91-位相调制器，92-隔离器，93-第二光电探测器，94-混频器，95-信号发生器，96-低通滤波器，97-锁相放大器，98-比例积分微分控制器，99-高压放大器。[0019]图3是本发明所述光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置的三共振非简并光学参量放大器的示意图，图中:71-二维可调镜架，72-平凹镜，73-非线性晶体及其控温炉，74-水平平移架，75-垂直平移架，76-精密旋转调节架，77-殷钢板。[0020]图4是三共振非简并光学参量放大器中注入信号光输出功率变化情况。[0021]图5是本发明一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置获得1.5μπι光场正交振幅分量和的量子关联噪声谱。[0022]图6是本发明一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置获得1.5μπι光场正交位相分量差的量子关联噪声谱。【具体实施方式】[0023]下面结合附图对本发明做出进一步说明:图1是本发明一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置的原理框图，采用输出波长为1.5μπι的光通信波段连续单频光纤激光器I作为激光光源，激光器输出的激光一部分用于抽运倍频器2，获得775nm连续单频激光；另一部分激光通过信号光模式清洁器3，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声。775nm连续单频激光通过栗浦光模式清洁器4，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声。波长为1.5μπι和775nm两束激光通过双色镜5后，均注入三共振非简并光学参量放大器7，分别作为三共振非简并光学参量放大器7的注入信号光场和栗浦光场。带压电陶瓷的全反射平面镜6用于控制注入信号光场和栗浦光的相对位相。注入信号光以45°偏振方向入射到三共振非简并光学参量放大器，光束进入II类温度匹配PPKTP晶体后分解成频率相同偏振正交的两束光ο光和e光。通过晶体温度控制仪8精确控制PPKTP晶体(II类温度匹配周期极化晶体)的温度达到最佳温度匹配条件，此时ο光和e光在光学参量放大器腔内同时共振;通过精细调节晶体的旋转角度，改变晶体在三共振非简并光学参量放大器7腔内的有效光学长度，从而补偿色散，使得栗浦光与上述两束光在腔内同时共振，实现三共振条件。此时三共振非简并光学参量放大器腔内栗浦光的功率密度很高，有效较低光学参量振荡的阈值，同时获得高的经典增益。通过腔长和位相锁定系统9将三共振非简并光学参量放大器的腔长锁定在注入信号光束的共振频率上，将注入信号光和栗浦光的相对相位锁定在，此时三共振非简并光学参量放大器运转于反放大状态，输出的光场具有振幅反关联、位相正关联的量子纠缠特性。输出的量子纠缠态光场经过第一45°高反平面镜10反射进入量子纠缠源探测系统U，采用贝尔态直接探测系统测量输出光场的量子纠缠度，不需要引入本底振荡光和平衡零拍探测系统，从而避免了本底振荡光的抖动以及干涉可见度对探测的影响。[0024]光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置的具体光路如图2所示，1.5μπι的光通信波段连续单频光纤激光器I为NPPhotonics公司生产的输出功率为2W的1.5μπι连续单频光纤激光器。倍频器2为两个曲率半径为30mm的平凹镜构成的两镜驻波腔与I类匹配周期极化铌酸锂晶体组成，倍频效率达86%，输出倍频光波长为775nm。由于光纤激光器输出的激光以及倍频光存在远高于散粒噪声基准几十dB的额外噪声，需采用信号光模式清洁器3和栗浦光模式清洁器4过滤其额外噪声，模式清洁器均为腔长为1.03m的三镜环形无源谐振腔，谐振腔精细度为500。过滤后信号光和栗浦光均在分析频率4MHz处就达到散粒噪声基准。其中注入信号光经过位相调制器91对入射到三共振非简并光学参量放大器7腔内的光场进行调制，通过隔离器92使得光路单向通过，并且提取出携带谐振腔信号的反射光，由第一光电探测器90探测该反射光并转换为电信号;该信号与信号发生器95的调制信号通过混频器94进行混频，低通滤波器96滤波后，产生误差信号;误差信号输入多通道的比例积分微分控制器98，通过双通道的高压放大器99将误差信号加载在三共振非简并光学参量放大器腔镜的压电陶瓷上，从而实现光学参量放大器腔长的锁定。三共振非简并光学参量放大器7输出光场经过第一45°高反平面镜10，约1%的输出光场功率经过第一45°高反平面镜10透射，同样由第二光电探测器93探测该透射光并转换为电信号;该信号与锁相放大器97内部的调制信号混频解调输出误差信号，误差信号输入多通道的比例积分微分控制器98，通过双通道的高压放大器99将误差信号加载在全反射平面镜6的压电陶瓷上，实现注入信号光和栗浦光相对相位的锁定。三共振非简并光学参量放大器7输出光场经过第一45°高反平面镜10反射进入量子纠缠源探测系统11进行探测，过程如下:输出的光场由于偏振正交，经过偏振分束棱镜将其分开，一束光加入位相控制并将两光相对位相锁定在π/2后，再经过一个偏振分束棱镜合成，在一套半波片和偏振分束棱镜组成的50/50分束器上进行干涉，可见度达99%，输出两光束由低噪声高增益的光电探测器进行探测，探测器的交流信号经过加减法器输入频谱分析仪，电流和起伏即为量子纠缠态光场振幅和关联噪声，电流差起伏为量子纠缠态光场位相差关联噪声。散粒噪声基准由只有注入信号光情况时输出的与明亮纠缠态光场功率一致的相干光给出。[0025]三共振非简并光学参量放大器7的示意图如图3所示，两个平凹镜72均放置在二维可调镜架71上实现二维调节，构成谐振腔。非线性晶体放置在保温的聚酚材料制作的控温炉中，由晶体温度控制仪8实现精确控温;水平平移架74和垂直平移架75实现晶体水平和垂直两个方向的精确调节，精密旋转调节架76实现晶体角度的精密调节。整个装置固定在厚度为30mm的殷钢板77上，提高了系统的稳定性。[0026]图4是实验观察到的三共振非简并光学参量放大器注入信号光输出功率的变化曲线。可以看出在扫描注入信号光和栗浦光相对相位在之间变化时，当无栗浦光注入时，注入信号光输出功率不发生变化；当有栗浦光时，注入信号光输出功率在极大值和极小值之间交替变化，即此时三共振非简并光学参量放大器已实现三模共振，并运转于放大和反放大交替的状态，经典增益约为40倍。[0027]图5是实验测量的光学参量放大器输出光场正交振幅和的噪声功率谱。在分析频率为7MHz处，光场正交振幅和的关联度低于散粒噪声基准5.2dB，此时电子学噪声低于散粒噪声基准12dB，可忽略不计。[0028]图6是实验测量的光学参量放大器输出光场正交位相差的噪声功率谱。在分析频率为7MHz处，光场正交位相差的关联度低于散粒噪声基准5.2dB，此时电子学噪声低于散粒噪声基准12dB，可忽略不计。【主权项】1.一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置，包括一个光通信波段连续单频光纤激光器(I)，其特征在于，所述光通信波段连续单频光纤激光器(I)的一个出射光路上顺次设有信号光模式清洁器(3)、双色镜(5)以及三共振非简并光学参量放大器(7);所述光通信波段连续单频光纤激光器(I)的另一个出射光路上设有倍频器(2)，倍频器(2)的出射光路上顺次设有栗浦光模式清洁器(4)和带压电陶瓷的全反射平面镜(6);所述三共振非简并光学参量放大器(7)位于双色镜(5)的透射光路上;双色镜(5)与全反射平面镜(6)的位置关系能够保证由倍频器(2)出射的光经全反射平面镜(6)和双色镜(5)反射后与双色镜(5)的透射光路共线;所述三共振非简并光学参量放大器(7)包括两镜光学谐振腔、位于两镜光学谐振腔内的可以精细调节温度和角度的控温炉以及放置在控温炉中的非线性晶体;所述非线性晶体为II类温度匹配周期极化晶体;还包括用于控制全反射平面镜(6)的反射角度以及两镜光学谐振腔腔长的腔长和位相锁定系统(9);三共振非简并光学参量放大器(7)的出射光路上设有量子纠缠源探测系统(11)。2.如权利要求1所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，所述腔长和位相锁定系统(9)包括第一光电探测器(90)、位相调制器(91)、隔离器(92)、第二光电探测器(93)，混频器(94)、信号发生器(95)、低通滤波器(96)、锁相放大器(97)、比例积分微分控制器(98)和高压放大器(99)；所述位相调制器(91)和隔离器(92)顺次位于信号光模式清洁器(3)和双色镜(5)之间，由隔离器(92)提取出携带三共振非简并光学参量放大器谐振腔的反馈信号的支路，所述第一光电探测器(90)位于该支路上;第一光电探测器(90)的信号输出端与混频器(94)的一个信号输入端相连接，信号发生器(95)的信号输出端分别与位相调制器(91)的信号输入端以及混频器(94)的另一个信号输入端相连接;混频器(94)的信号输出端通过低通滤波器(96)与比例积分微分控制器(98)的一个信号输入端相连接；三共振非简并光学参量放大器(7)的出射光路上设有第一45°高反平面镜(10)，量子纠缠源探测系统(11)位于第一45°高反平面镜(10)的反射光路上;所述第二光电探测器(93)位于第一45°高反平面镜(10)的透射光路上;第二光电探测器(93)的信号输出端与锁相放大器(97)的信号输入端相连接，锁相放大器(97)的信号输出端与比例积分微分控制器(98)的另一个信号输入端相连接，比例积分微分控制器(98)的信号输出端与高压放大器(99)的信号输入端相连接，高压放大器(99)的两个信号输出端分别与全反射平面镜(6)所配的压电陶瓷以及两镜光学谐振腔所匹配的压电陶瓷相连接。3.如权利要求2所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，所述信号光模式清洁器(3)和栗浦光模式清洁器(4)均由两个45°高反平面镜和一个曲率半径为Im的凹面镜构成，组成三镜环形无源谐振腔，腔长为1.03m，谐振腔精细度为500。4.如权利要求1?3任一项所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，光通信波段连续单频光纤激光器(I)出射激光中心波长为1.5μπι，所述的倍频器(2)由两镜光学谐振腔和I类温度匹配周期极化晶体构成，倍频器(2)出射的激光中心波长为775nm05.如权利要求1?3任一项所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，控温炉的温度通过与其连接的晶体温度控制仪(8)控制。6.如权利要求4所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生装置，其特征在于，控温炉的温度通过与其连接的晶体温度控制仪(8)控制。7.—种光通信波段连续变量量子纠缠源产生方法，采用如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括如下步骤:(a)光通信波段连续单频光纤激光器(I)作为激光光源，输出的激光一部分用于抽运倍频器(2)，获得倍频后的连续单频激光;另一部分激光通过信号光模式清洁器(3)，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声;倍频器(2)出射的连续单频激光通过栗浦光模式清洁器(4)，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声；(b)上述两束激光通过双色镜(5)后，均注入三共振非简并光学参量放大器(7)，分别作为三共振非简并光学参量放大器(7)的注入信号光场和栗浦光场;全反射平面镜(6)用于控制注入信号光场和栗浦光的相对位相;注入信号光以45°偏振方向入射到三共振非简并光学参量放大器(7)，该光束进入II类温度匹配周期极化晶体后分解成频率相同偏振正交的两束光ο光和e光;精确控制非线性晶体的温度达到最佳温度匹配条件，此时ο光和e光在三共振非简并光学参量放大器(7)腔内同时共振;通过精细调节非线性晶体的旋转角度，改变非线性晶体在三共振非简并光学参量放大器(7)腔内的有效光学长度，从而补偿色散，使得栗浦光与上述两束光在三共振非简并光学参量放大器(7)腔内同时共振，实现三共振条件；(c)通过腔长和位相锁定系统(9)将三共振非简并光学参量放大器(7)的腔长锁定在注入信号光束的共振频率上，将注入信号光和栗浦光的相对相位锁定在:π，此时三共振非简并光学参量放大器(7)运转于反放大状态，输出具有振幅反关联、位相正关联的量子纠缠态光场；(d)输出的量子纠缠态光场进入量子纠缠源探测系统(11)，采用贝尔态直接探测系统测量输出光场的量子纠缠度。8.如权利要求7所述的一种光通信波段连续变量量子纠缠源产生方法，其特征在于，所述光通信波段连续单频光纤激光器(I)出射激光中心波长为1.5μπι，倍频器(2)出射的激光中心波长为775nm。【文档编号】G02F1/39GK105867046SQ201610382879【公开日】2016年8月17日【申请日】2016年6月2日【发明人】冯晋霞,张宽收,李渊骥【申请人】山西大学