一種連續變量量子糾纏源產生裝置的製作方法

2023-11-11 10:02:12 2

專利名稱：一種連續變量量子糾纏源產生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種連續變量非經典光場的產生裝置，具體是一種連續變量量子糾纏態光場產生裝置。
背景技術：
量子信息學是信息科學和量子力學相結合而形成的新興交叉學科，主要包括量子計算和量子通信。量子通信又主要包括量子離物傳態、量子密碼術和量子密集編碼等。由於量子糾纏源的獨特性質，使量子信息在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面具有突破現有經典信息系統極限的能力。量子糾纏源是量子通信和量子計算的核心，實現連續變量量子信息最重要的關鍵和難點是製備穩定高效的連續變量量子糾纏態光源。目前為止，產生連續變量量子糾纏源最普遍的方法是用單頻雷射器泵浦光學參量振蕩器，經非線性過程產生非經典光場。1992年，美國的Kimble小組用II類相位匹配的 KTP晶體作為光學參量振蕩腔的非線性介質，通過非兼併光學參量放大過程，獲得兩束偏振正交的壓縮態光場——糾纏光束。1998年，他們利用閾值以下簡併光學參量過程產生兩束頻率簡併的正交位相壓縮光，通過50%分束鏡耦合獲得了連續變量量子糾纏光束。2000 年，山西大學光電研究所採用單頻雙波長的Nd:YAP/KTP雷射器泵浦用II類相位匹配的KTP 晶體作為非線性介質的光學參量放大器，當光學參量放大器運轉於放大狀態時，得到正交振幅正關聯、正交位相反關聯的明亮糾纏光束。但是，上述工作都處在實驗室階段。目前為止，並沒有相關的樣機和商業化的連續變量量子糾纏源產品。其主要原因在於連續變量量子糾纏源對控制系統的要求較高，例如糾纏源系統中光學參量振蕩腔的鎖定、泵浦所用單頻雷射器的穩頻等過程等都需要人工操作。因此，上述連續變量量子糾纏源不具備易操作性和可靠性。制約了連續變量量子糾纏源從實驗室走向穩定可靠的產品。

發明內容
本發明的目的在於提供一種操作簡單、穩定可靠的連續變量量子糾纏源產生裝置。本發明設計的一種連續變量量子糾纏源產生裝置，包括單頻雷射器、光學參量放大器、貝爾態直接探測系統、底板和光學參量放大器鎖定系統組成；所述的糾纏源產生裝置所用的光學元件均固定在底板上，底板由形變係數較小的材料充當，該設計減輕了環境變化對糾纏源的影響，改善了糾纏源的穩定性和可靠性；所述的光學參量放大器鎖定系統由掃描、鎖定閾值設定、比較、鎖定四個單元組成，其中掃描單元由信號源、計數器、數字電位器和高壓直流放大器組成，鎖定閾值設定單元由電壓基準、波段開關、第一電壓跟隨器、電位器和第二電壓跟隨器組成，鎖定單元由PID電路和高壓直流放大器組成；所述的光學參量放大器鎖定系統中，掃描單元的輸出端經高壓放大器與光學參量放大器上的壓電陶瓷相連，光學參量放大器輸出的光信號入射到光電探測器中，光電探測器輸出的直流信號經第三電壓跟隨器與比較單元的正向輸入端相連；掃描單元的輸出端與比較單元的正向輸入端相連；所述的光學參量放大器鎖定系統中，鎖定閾值設定單元的輸出端與比較單元的負向輸入端相連；所述的光學參量放大器鎖定系統中，比較單元的輸出端經第二電子開關與鎖定單元相連。掃描單元通過驅動光學參量放大器上的壓電陶瓷來搜索光學參量放大器的共振點。越接近共振點，光學參量放大器輸出的光信號越強，遠離共振點時，光學參量放大器輸出的光信號變弱。光學參量放大器的輸出光經光電探測器後轉換為電信號，將光電探測器輸出的電信號與鎖定閾值設定比較，來決定鎖定系統下一步的動作。當光電探測器信號小於鎖定閾值設定時，掃描單元繼續掃描，鎖定單元處於掃描狀態。當該光電探測器信號大於鎖定閾值設定時，掃描單元停止掃描，鎖定單元自動切換到鎖定狀態。在糾纏源系統調試的最後階段，要根據光學參量放大器注入光功率的大小和光電探測器的光電轉換效率來調節鎖定閾值設定值的大小。根據比較器輸出電平的高低控制電子開關的工作狀態，由電子開關決定PID電路的工作狀態。當光電探測器輸出信號小於鎖定閾值的設定值時，比較器輸出低電平，電子開關控制PID電路工作在監視狀態。當光電探測器輸出信號大於鎖定閾值的設定值時，比較器輸出高電平，電子開關控制PID電路工作在鎖定狀態。所述的光學參量放大器中的非線性介質為II類非臨界相位匹配的非線性晶體。 利用單頻雷射器輸出的倍頻光作為泵浦源，基頻光作為注入種子光，泵浦運轉於閾值以下的光學參量放大器，得到頻率簡併，偏振垂直的雙模壓縮態光場。經偏振分束器分束後，可直接得到糾纏光源。所述的糾纏源底板由精密數控工具機一次加工成型。這種設計減小了機械加工誤差對糾纏源糾纏特性的影響，為連續變量量子糾纏源產品化、批量生產提供了條件。所述的掃描單元中，信號源的輸出端與第一電子開關的輸入端相連，第一電子開關的輸出端分別與計數器和數字電位器的時鐘端相連，計數器的輸出端與數字電位器的控制端相連，數字電位器的輸出端與高壓放大器的偏置輸入端相連，第一電子開關的邏輯控制端與比較單元的輸出端與相連。信號源的作用是提供時鐘信號，時鐘信號經由電子開關供給計數器和數字電位器。當系統工作在掃描狀態時，電子開關接通，信號源提供給計數器和數字電位器時鐘信號；當系統工作在鎖定狀態時，電子開關斷開，數字電位器維持固定的輸出電壓。每收到一個時鐘信號，數字電位器的輸出電平改變一個步長，輸出電平的增減由計數器的輸出信號決定。所述的鎖定閾值設定單元中，固定的電壓基準與波段開關相連，波段開關的動片通過第一電壓跟隨器與電位器相連，電位器的中心抽頭經第二電壓跟隨器與比較單元的正向輸入相連。波段開關用來選擇分離的鎖定閾值點，電位器用來精確設定鎖定閾值點。所述的鎖定單元中，PID電路的誤差信號由光電探測器的交流輸出端與調製信號混頻後提供，誤差信號經第二電子開關與PID電路的輸入端相連，PID電路的輸出端與高壓放大器的增益信號輸入端相連。高壓放大器的輸出驅動固定在光學參量放大器上壓電陶瓷來控制光學參量放大器的腔長。光學參量放大器的誤差信號經反射場提取，入射到光電探測器中。光電探測器輸出的交流電信號解調後經PID電路和高壓放大器的增益信號輸入端反饋到壓電陶瓷上，實現光學參量放大器的鎖定。光電探測器輸出的直流信號與鎖定閾值
4設定單元輸出的信號比較，得到的值作為控制光學參量放大器工作狀態的邏輯信號。當光電探測器輸出的直流信號小於鎖定閾值設定單元的設定值，第二電子開關控制PID電路工作在鎖定狀態，同時第一電子開關控制計數器停止計數，數字電位器維持當前的工作點。當光電探測器輸出的直流信號大於鎖定閾值設定單元的設定值，第二電子開關控制PID電路工作在開鎖狀態，同時第一電子開關接通，數字電位器輸出掃描信號，掃描光學參量放大器的腔長，搜索光學參量放大器的共振點，直到光電探測器輸出的直流信號小於鎖定閾值設定單元的設定值。與現有技術相比本發明設計的一種連續變量量子糾纏源產生裝置有如下優點本發明採用光學參量放大器自動搜索鎖定系統，有容易操作、可長時間穩定工作、 失鎖後自動再鎖定，容易產品化等優點。本發明將糾纏源所用的光學元件都固定在一整塊底板上，減小了環境變化對糾纏源的影響，改善了糾纏源的穩定性和可靠性。本發明設計的糾纏源底板採用精密數控工具機一次加工成型，減小了機械加工誤差對糾纏源糾纏特性的影響，具有易產品化和批量生產等優點。總之，本發明設計的一種連續變量量子糾纏源產生裝置具有操作簡單、穩定可靠、 適合批量生產等優點，具有重要的應用價值。


圖1是本發明一種連續變量量子糾纏源產生裝置的原理框圖；其中1-單頻雷射器，2-光學參量放大器，3-貝爾態直接探測系統，4-底板，5-光學參量放大器鎖定系統， 11-掃描單元，12-鎖定閾值設定單元，13-比較單元，14-鎖定單元，34-光電探測器。圖2是本發明一種連續變量量子糾纏源產生裝置的光路示意圖；其中35-電光相位調製器，40-非線性晶體，50-540nm光隔離器，51-1080nm光隔離器。圖3是本發明一種連續變量量子糾纏源產生裝置中光學參量放大器鎖定系統的線路示意圖；其中21-電阻，22-電阻，23-波段開關，24-電壓基準，25-第一電壓跟隨器， 26-電位器，27-第二電壓跟隨器，28-信號源，29-第一電子開關，30-計數器，31-數字電位器，32-PID電路，33-高壓放大器，36-高頻信號源，37-混頻器，38-第三電壓跟隨器，39-第二電子開關。圖4是本發明中使用的PID電路32的電路圖。
具體實施例方式本發明是一種連續變量量子糾纏源產生裝置，如圖1-4所示。圖1是本發明的原理框圖，用單頻雷射器1泵浦光學參量放大器2，光學參量放大器2輸出的糾纏光用貝爾態直接探測系統3進行測量。為了改善糾纏源裝置的穩定性和可靠性，單頻雷射器1、光學參量放大器2和貝爾態直接探測系統3都固定在一塊底板4上。 光學參量放大器鎖定系統5用來自動掃描鎖定光學參量放大器2。連續變量量子糾纏源裝置的具體光路圖如圖2所示，單頻雷射器1是雷射二極體端面泵浦的內腔倍頻Nd:YAP/LB0雷射器，單頻雷射器1的輸出波長為540nm。由於輸出耦合鏡對基頻光不完全發射，雷射器也有少許IOSOnm光輸出。利用環形諧振腔選取單縱模，獲得穩定的單頻雷射輸出。光學參量放大器2由兩個曲率半徑為50mm的平凹鏡和一塊非線性晶體40 (a-切割的KTP晶體)組成，KTP晶體的尺寸為3 X 3 X IOmm,兩端鍍1080nm和 540nm雙減反膜。光學參量放大器2的所有元件均固定在由殷剛製成的架子上。KTP晶體由高精度控溫儀進行控溫，控溫精度為0. 01°C。光學參量放大器2的一個腔鏡粘接在壓電陶瓷上，用於光學參量放大器2腔長的主動控制。單頻雷射器1輸出的IOSOnm光經電光相位調製器35、IOSOnm光隔離器51後作為信號光注入光學參量放大器2。單頻雷射器1輸出的540nm光經540nm光隔離器50後作為泵浦光注入光學參量放大器2。1080nm光隔離器 51和MOnm光隔離器50可防止光學參量放大器2的反射光反饋到單頻雷射器1內影響其穩定性。電光相位調製器35用來在邊帶鎖頻系統中產生邊帶。非線性晶體40為II類非臨界相位匹配的KTP晶體，參與非線性相互作用的光束在該晶體中可以實現共線匹配，消除了走離效應，得到頻率簡併，偏振垂直的雙模壓縮態光場。經偏振分束器分束後，可直接得到糾纏光源。實驗中，KTP晶體的溫度控制到相位匹配溫度到67°C。通過貝爾態直接探測系統3測量光學參量放大器2輸出光的糾纏特性。測量過程如下，首先用偏振分束稜鏡將光學參量放大器2輸出的信號模與閒置模分開，再用50%分束器(由兩個偏振分束稜鏡和一個半波片組成)將兩束光耦合。分束器輸出的明亮光束由兩個探測器直接探測，兩探測器輸出的光電流相加、相減後分別送入頻譜分析儀測量輸出光的糾纏度。光學參量放大器鎖定系統5的電路圖如圖3所示，工作原理如下掃描單元11輸出階梯型的三角波信號H送入高壓放大器33的偏置輸入端，信號經高壓放大器33放大後驅動光學參量放大器2上的壓電陶瓷，掃描光學參量放大器2的腔長。光學參量放大器2 的腔長越接近共振點，光電探測器34接受到的反射場信號越小；光學參量放大器2的腔長越遠離共振點，光電探測器34接受到的反射場信號越大。掃描單元11中，信號源觀用來給計數器30和數字電位器31提供脈衝信號，時鐘信號經計數器30分頻後給數字電位器31 提供增/減控制信號。第一電子開關四通過比較單元13輸出的邏輯信號C控制脈衝信號的通斷。當比較單元13輸出的邏輯信號C為高電平時，光學參量放大器鎖定系統5處於掃描狀態，第二電子開關39關斷，PID電路32停止工作，第一電子開關四接通，掃描光學參量放大器2的腔長，直到光電探測器34輸出的直流信號DC(經第三電壓跟隨器38後為信號B)小於鎖定閾值設定單元12輸出的信號A後，光學參量放大器鎖定系統5自動切換到鎖定狀態。當比較單元13輸出的邏輯信號C為低電平時，第二電子開關39接通，PID電路 32開始工作，根據誤差信號J鎖定光學參量放大器2的腔長，第一電子開關四關斷，數字電位器31的輸出保持不變，高壓放大器33給光學參量放大器2中的壓電陶瓷提供恆定的偏置電壓。鎖定閾值設定單元12中，電壓基準M提供恆定的電壓輸出，當波段開關23位於不同的觸點時，經分壓可得到一系列分離的電壓值。這些電壓值經第一電壓跟隨器25後， 可通過電位器沈連續設定輸出電壓的大小，第二電壓跟隨器27可防止後面電路對鎖定閾值設定單元的幹擾。鎖定閾值點的設定在系統調試時根據具體情況設定，掃描過程中，記錄信號B的最大值，一般將鎖定閾值設定單元12輸出信號B的大小設為信號A最大值的20%。比較單元13用來比較信號A和信號B的大小，輸出的信號C通過控制第一電子開關四和第二電子開關39的邏輯關係來控制光學參量放大器鎖定系統5的工作狀態(掃描或鎖定)。光電探測器34輸出的交流信號與高頻信號源36輸出的信號經混頻器37混頻後作為鎖定的誤差信號J。當第二電子開關39接通時，誤差信號J送入PID電路32，PID電路32的輸出信號F接高壓放大器33的增益輸入端，高壓放大器的輸出信號E控制光學參量放大器2上的壓電陶瓷，實現光學參量放大器2的鎖定。PID電路32應用較為普遍，本發明使用的PID電路如圖4所示，誤差信號從PID電路32的輸入端(In)輸入，控制信號從PID電路32的輸出端(Out)輸出。信號K與PID電路32的輸入端(In)相連，PID電路32的輸出端(Out)與端子F相連。本發明實施例採用的元器件，比較電路所用的運算放大器採用LM358，電壓跟隨器所用的運算放大器均採用LM358，第一電子開關四的型號為MAXIM公司生產的DG418，第二電子開關39的型號為MAXIM公司生產的DG417，波段開關23採用上海衛訊電子生產的 KXM-CX,電位器沈均採用墨西哥生產的BOURNS 3590S-2-10，最大可調節10圈。信號源28 採用南京盛普生產的F80，計數器30採用PHILIPS公司生產的HEF4060B，數字電位器採用 MAXIM公司生產的MAXM81。本發明中，將所有連續變量量子糾纏源產生裝置都固定在一塊底板4上，改善了系統的可靠性；糾纏源底板4由精密工具機一次加工成型，使糾纏源更易於批量生產而不改變每臺的性能參數；設計的光學參量放大器鎖定系統5更易於糾纏源的操作，及改善了光學參量放大器2鎖定過程的穩定性。該裝置的獲得有助於連續變量量子糾纏源走出實驗室，廣泛應用於國民經濟的各個領域。
權利要求
1.一種連續變量量子糾纏源產生裝置，包括單頻雷射器(1)、光學參量放大器O)、貝爾態直接探測系統(3)、底板(4)和光學參量放大器鎖定系統(5)；其特徵在於糾纏源產生裝置所用的光學元件均固定在底板(4)上，底板(4)由形變係數較小的材料充當；所述的光學參量放大器鎖定系統( 由掃描單元(11)、鎖定閾值設定單元(12)、比較單元(13)、鎖定單元(14)組成，其中掃描單元(11)由信號源(觀)、計數器(30)、數字電位器(31)和高壓直流放大器(3 組成，鎖定閾值設定單元(1 由電壓基準(M)、波段開關(23)、第一電壓跟隨器(25)、電位器(26)和第二電壓跟隨器(27)組成，鎖定單元(14)由PID電路(32)和高壓直流放大器(3 組成；所述的光學參量放大器鎖定系統( 中，掃描單元(11)的輸出端經高壓放大器(3 與光學參量放大器( 上的壓電陶瓷相連，光學參量放大器( 輸出的光信號入射到光電探測器(34)中，光電探測器(34)輸出的直流信號經第三電壓跟隨器 (38)與比較單元(1 的正向輸入端相連；所述的光學參量放大器鎖定系統(5)中，鎖定閾值設定單元(1 的輸出端與比較單元(1 的負向輸入端相連；所述的光學參量放大器鎖定系統(5)中，比較單元(13)的輸出端經第二電子開關(39)與鎖定單元(14)相連。
2.根據權利要求1所述的一種連續變量量子糾纏源產生裝置，其特徵在於所述的光學參量放大器O)中的非線性介質GO)為II類非臨界相位匹配的非線性晶體。
3.根據權利要求1所述的一種連續變量量子糾纏源產生裝置，其特徵在於所述的糾纏源底板由精密數控工具機一次加工成型。
4.根據權利要求1所述的一種連續變量量子糾纏源產生裝置，其特徵在於所述的掃描單元(11)中，信號源08)的輸出端與第一電子開關09)的輸入端相連，第一電子開關 (29)的輸出端分別與計數器(30)和數字電位器(31)的時鐘端相連，計數器(30)的輸出端與數字電位器(31)的控制端相連，數字電位器(31)的輸出端與鎖定系統(14)中高壓放大器(3 的偏置輸入端相連，第一電子開關09)的邏輯控制端與比較單元(1 的輸出端相連。
5.根據權利要求1所述的一種連續變量量子糾纏源產生裝置，其特徵在於所述的鎖定閾值設定單元(12)中，固定的電壓基準04)與波段開關03)相連，波段開關03)的動片通過第一電壓跟隨器0 與電位器06)相連，電位器06)的中心抽頭經第二電壓跟隨器 (27)與比較單元(13)的正向輸入相連。
6.根據權利要求1所述的一種連續變量量子糾纏源產生裝置，其特徵在於所述的鎖定單元(14)中，PID電路(3 的誤差信號由光電探測器的交流輸出端與調製信號混頻後提供，誤差信號經第二電子開關(39)與PID電路(32)的輸入端相連，PID電路(32)的輸出端與高壓放大器(3 的增益信號輸入端相連。
全文摘要
本發明提供了一種連續變量量子糾纏態光場產生裝置，包括單頻雷射器(1)、光學參量放大器(2)、貝爾態直接探測系統(3)、底板(4)和光學參量放大器鎖定系統(5)；所用的光學元件均固定在底板(4)上；所述的光學參量放大器鎖定系統(5)由掃描單元(11)、鎖定閾值設定單元(12)、比較單元(13)、鎖定單元(14)組成，實現了光學參量放大器的自動鎖定；解決了現有連續變量量子糾纏源可操作性和可靠性差的問題。該裝置具有穩定可靠、操作簡單、適合批量生產等優點。
文檔編號G02F1/35GK102436117SQ201110312978
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者張寬收, 彭堃墀, 王文哲, 賈曉軍, 鄭耀輝 申請人:山西大學