CN105807535B - 一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置。本发明主要是解决现有多个原子系综之间量子纠缠存在着几率性制备的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置，包括光源单元、九个声光调制器、三套光学参量放大器、光束耦合系统、三个原子系综、三套光学滤波系统和纠缠测量系统。在量子存储的写光作用下，将三个纠缠光脉冲的正交分量量子态映射到三个原子系综的集体自旋波中，确定性地建立三个原子系综之间的量子纠缠；然后，在量子存储的读光作用下，将三个原子系综的集体自旋波量子态映射到三个释放光脉冲的正交分量中，通过测量它们的关联特性，确定性地验证三个原子系综之间的量子纠缠。
Description
技术领域
本发明涉及一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置，它属于一种三个空间分离的原子系综之间确定性量子纠缠的产生装置。
背景技术
量子纠缠不但是量子力学的核心概念，而且是实现量子信息和量子测量的重要资源。随着量子信息科学的发展，由光和原子组成的量子信息网络是发展应用的关键。其中，原子可以作为量子信息处理和存储的节点。因此，构建多个原子系综之间的量子纠缠，不但能够在多个宏观物体之间建立量子关联，而且可以在多个量子节点之间实现量子态传输等量子信息协议。
电磁诱导透明机制是实现量子存储的一种有效方法，能够将量子态在光和原子之间相互映射，适用于非经典光场的量子存储。因此，将多个光子的量子态映射到原子系综的自旋态，是制备多原子系综纠缠的一种可行方法。
2010年，美国加州理工大学的Kimble教授研究组利用自发拉曼散射过程在四个原子系综之间制备了分离变量量子纠缠，并且在Nature 468,412(2010)发表了题为“Entanglement of spin waves among four quantum memories”的论文。
以上研究工作利用自发拉曼散射过程建立了四个原子系综之间的量子纠缠，解决了多个原子系综之间量子纠缠制备的问题，但上述方法还存在着几率性制备的技术问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有多个原子系综之间量子纠缠存在着几率性制备的技术问题，提供一种确定性、可扩展性好、可靠性好的三个原子系综之间量子纠缠的产生装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：利用电磁诱导透明机制实现量子存储，在量子存储的写光作用下，将三个纠缠光脉冲的正交分量量子态映射到三个原子系综的集体自旋波中，确定性地建立三个原子系综之间的量子纠缠；然后，在量子存储的读光作用下，将三个原子系综的集体自旋波量子态映射到三个释放光脉冲的正交分量中，通过测量它们的关联特性，确定性地验证三个原子系综之间的量子纠缠。
一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置，包括光源单元、九个声光调制器、三套光学参量放大器、光束耦合系统、三个原子系综、三套光学滤波系统和纠缠测量系统；光束耦合系统由两片透过率t＝66.7％、t＝50％的光学分束器和三个格兰汤姆森棱镜组成；所述光学滤波系统都由格兰汤姆森棱镜和光学标准具组成；所述纠缠测量系统由三套平衡零拍探测系统、功率加减法器和可存储数字示波器组成。所述光源单元设有三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3、三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3、三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3、三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3；其中，三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3分别与第一至第三声光调制器输入端连接，第一至第三声光调制器输出端分别与第一至第三格兰汤姆森棱镜第一输入端连接；三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3分别和第一至第三光学参量放大器第一输入端连接；三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3分别与第四至第六声光调制器输入端连接，第四至第六声光调制器的输出端分别与第一至第三光学参量放大器第二输入端连接，第一至第三光学参量放大器输出端分别与第七至第九声光调制器输入端连接，第七、第八声光调制器输出端分别和第一光学分束器两个输入端连接，第一光学分束器第二输出端和第九声光调制器输出端分别与第二光学分束器的两个输入端连接，第一光学分束器第一输出端和第二光学分束器两个输出端分别与第一至第三格兰汤姆森棱镜第二输入端连接；第一至第三格兰汤姆森棱镜输出端分别和第一至第三原子系综输入端连接；第一至第三原子系综输出端分别与第一至第三光学滤波系统输入端连接；第一至第三光学滤波系统输出端分别与纠缠测量系统第一至第三输入端连接；三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3与纠缠测量系统第四至第六输入端连接。
所述光源单元包括可调谐激光器、1x2光学分束器阵列、1x5光学分束器阵列、三个1x3光学分束器阵列、声光调制系统和光学倍频器。其中，可调谐激光器采用低噪声、窄线宽、钛宝石激光器；钛宝石激光器输出的激光通过1x2光学分束器阵列被分为两束激光，第一束激光与1x5光学分束器阵列输入端连接，1x5光学分束器阵列第一输出端通过第二1x3光学分束器阵列产生三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3，1x5光学分束器阵列第二输出端通过声光调制系统和第三1x3光学分束器阵列产生三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3，1x5光学分束器阵列第三至第五输出端产生三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3；第二束激光通过光学倍频器和第一1x3光学分束器阵列产生三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3。
所述第一光学参量放大器工作在参量放大状态，输出正交位相压缩光，所述第二、第三光学参量放大器工作在参量反放大状态，输出正交振幅压缩光。
本发明采用了上述技术方案，与背景技术相比，本发明具有确定性制备、可扩展性好、可靠性好的优点。本发明具有以下有益效果：
1、本发明所利用的量子存储的写过程，能够将三组份纠缠光的量子态映射到三个原子系综中，确定性地建立三个原子系综集体自旋波之间的量子纠缠。
2、本发明所利用的量子存储的读过程，能够将三个原子系综的量子态映射到三个释放光脉冲中，确定性地验证三个原子系综集体自旋波之间的量子纠缠。
3、本发明所利用的电磁诱导透明机制引入的额外噪声小，适合于建立三个原子系综之间的量子纠缠。
4、本发明可以将不同关联类型的多个纠缠光脉冲存储在多个原子系综中，得到不同关联类型的多个原子系综之间的量子纠缠。
本发明所产生的三个原子系综之间的纠缠态，适合应用于包含原子系综的量子信息网络，特别是在量子信息网络节点之间实现量子态传输等量子信息协议。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2本发明光源单元的结构示意图；
图3本发明原子的能级示意图；
图4本发明光信号的控制时序图；
图5本发明原子系综的结构示意图；
图6本发明测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本实施例中的一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置，包括光源单元1、九个声光调制器21-29、三套光学参量放大器31-33、光束耦合系统、三个原子系综5-7、三套光学滤波系统46-48和纠缠测量系统8；光束耦合系统由两片透过率t＝66.7％、t＝50％的光学分束器41、42和三个格兰汤姆森棱镜43-45组成。所述光源单元1设有三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3、三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3、三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3和三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3；其中，三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3分别与第一至第三声光调制器21-23输入端连接，第一至第三声光调制器21-23输出端分别与第一至第三格兰汤姆森棱镜43-45第一输入端连接；三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3分别和第一至第三光学参量放大器31-33第一输入端连接；三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3分别与第四至第六声光调制器24-26输入端连接，第四至第六声光调制器24-26的输出端分别与第一至第三光学参量放大器31-33第二输入端连接，第一至第三光学参量放大器31-33输出端分别与第七至第九声光调制器27-29输入端连接，第七、第八声光调制器27、28输出端分别和第一光学分束器41两个输入端连接，第一光学分束器41第二输出端和第九声光调制器29输出端分别与第二光学分束器42的两个输入端连接，第一光学分束器41第一输出端和第二光学分束器42两个输出端分别与第一至第三格兰汤姆森棱镜43-45第二输入端连接；第一至第三格兰汤姆森棱镜43-45输出端分别和第一至第三原子系综5-7输入端连接；第一至第三原子系综5-7输出端分别和第一至第三光学滤波系统46-48输入端连接；第一至第三光学滤波系统46-48输出端分别与纠缠测量系统8第一至第三输入端①、②、③连接；三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3与纠缠测量系统8第四至第六输入端④、⑤、⑥连接。所述光学滤波系统46-48都由格兰汤姆森棱镜和光学标准具组成，将竖直偏振的控制光脉冲信号aC1、aC2、aC3过滤掉，水平偏振的释放光脉冲信号a’P1、a’P2、a’P3耦合进测量系统。
如图2所示，所述光源单元包括可调谐激光器11、1x2光学分束器阵列12、1x5光学分束器阵列13、三个1x3光学分束器阵列14-16、声光调制系统17和光学倍频器18。其中，可调谐激光器11采用低噪声、窄线宽、钛宝石激光器，输出795nm的激光，对应于铷87原子的D1吸收线。激光通过1x2光学分束器阵列12被分为两束激光，其中，第一束激光与1x5光学分束器阵列13输入端连接，1x5光学分束器阵列13第一输出端通过第二1x3光学分束器阵列15产生三束本地振荡光信号aL1、aL2、aL3，1x5光学分束器阵列13第二输出端通过6.8GHz移频的声光调制系统17和第三1x3光学分束器阵列16产生三束控制光信号aC1、aC2、aC3，1x5光学分束器阵列13第三至第五输出端产生三束种子光信号aS1、aS2、aS3；第二束激光通过光学倍频器18和第一1x3光学分束器阵列14产生三束泵浦光信号aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3。
如图3所示，所述第一至第三原子系综5-7都采用铷87原子的52S1/2的F＝1和F＝2以及52P1/2的F’＝1的超精细能级，利用钛宝石激光器11的调谐特性和声光调制系统17的移频特性，获得相应波长的光信号。控制光信号aC1、aC2、aC3的频率和52S1/2的F＝1到52P1/2的F’＝1的跃迁吸收线有Δ＝700MHz的单光子失谐量；本地振荡光aL1、aL2、aL3的频率和探针光aP1、aP2、aP3的频率相同,该频率和52S1/2的F＝2到52P1/2的F’＝1的跃迁吸收线有Δ＝700MHz的单光子失谐和δ＝0.5MHz的双光子失谐量。
如图4所示，利用九套声光调制器21-29的开关特性，实现量子存储的时序控制。整个控制周期取1毫秒。平衡零拍探测系统的本地振荡光信号不经过声光调制器，输出强的本地振荡光aL1、aL2、aL3。在光和原子相互作用的10微秒内，通过声光调制器24-26将种子光aS1、aS2、aS3关闭，其余时间打开并且输出种子光的模拟光，用于对种子光在平衡零拍探测系统中的位相锁定；在探针光脉冲信号和原子相互作用时间内，通过声光调制器27-29将光学参量放大器输出的探针光脉冲信号aP1、aP2、aP3打开500纳秒。在探针光脉冲信号和原子相互作用时间内，通过声光调制器21-23对控制光的时序进行操控，将控制光aC1、aC2、aC3打开1微秒，用于实现量子存储的写入操作；在100纳秒的存储时间内，关闭控制光aC1、aC2、aC3；之后，再次打开控制光aC1、aC2、aC3，用于实现量子存储的读出操作。
如图1所示，三个光学参量放大器31～33在三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3和三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3的作用下，通过控制信号光和泵浦光的相对位相差，使第一光学参量放大器31工作在参量放大状态，输出正交位相压缩光，使第二、第三光学参量放大器32、33工作在参量反放大状态，输出正交振幅压缩光。
如图5所示，所述第一至第三原子系综5-7均由原子气室51、磁屏蔽系统和温控系统54组成；磁屏蔽系统由磁屏蔽纸52和金属的磁屏蔽筒53构成。所述原子气室51充有铷87原子气体和一定量的缓冲惰性气体，在原子气室51的通光面镀有相应激光波长的减反膜；原子气室51的外层用磁屏蔽纸52包裹，并且将其放置于金属的磁屏蔽筒53内；在磁屏蔽筒53的外层设有采用加热带、保温材料和控温仪器组成的温控系统54对铷原子加热并且精确控温。
如图6所示，所述纠缠测量系统8由三套平衡零拍探测系统84-86、功率加减法器87和可存储数字示波器88组成。利用光学分束片80U、80M、80D、平衡零拍探测器81U、82U、81M、82M、81D、82D和功率减法器83U、83M、83D通过对本地振荡光信号aL1、aL2、aL3和释放光信号a’P1、a’P2、a’P3的干涉信号进行测量，得到释放光信号a’P1、a’P2、a’P3的正交分量，并且利用种子光的模拟光对它们的干涉位相差进行锁定；最后通过功率加减法器87和可存储数字示波器88对三个原子系综GHZ态的关联噪声进行测量、存储和分析。
根据Peter van Loock等人提出的不可分判据可以对三个原子系综纠缠进行判断。如果三个释放光脉冲信号的关联噪声满足如下不等式：
<Δ2(X1-X2)>+<Δ2(Y1+Y2+Y3)>≤4
<Δ2(X2-X3)>+<Δ2(Y1+Y2+Y3)>≤4
那么，三个原子系综之间存在量子纠缠。其中，X和Y分别表示释放光信号的正交振幅和正交位相分量。<Δ2(X1(2)-X2(3))>和<Δ2(Y1+Y2+Y3)>分别表示正交振幅分量和正交位相分量的关联方差。
三个光学参量放大器31-33在三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3和三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3的作用下，产生一束正交位相压缩光和两束正交振幅压缩光；并且在光学分束器41、42以零位相差进行干涉，得到GHZ纠缠态光；通过声光调制器24-29将其转换为三个纠缠光脉冲aP1、aP2、aP3；在三束控制光脉冲aC1、aC2、aC3的写入作用下，将上述三个纠缠光脉冲aP1、aP2、aP3存储到三个原子系综5-7中，使三个原子系综5-7相互纠缠；在三束控制光脉冲aC1、aC2、aC3的读出作用下，将上述三个原子系综5-7的量子态映射到三个释放光信号a’P1、a’P2、a’P3中，验证三个原子系综5-7的纠缠，并且利用三束本地振荡光信号aL1、aL2、aL3和平衡零拍探测系统8对其释放光信号a’P1、a’P2、a’P3进行测量。
Claims (3)
1.一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置，其特征在于：包括光源单元、九个声光调制器、三套光学参量放大器、光束耦合系统、三个原子系综、三套光学滤波系统和纠缠测量系统；光束耦合系统由两片透过率t＝66.7％、t＝50％的光学分束器和三个格兰汤姆森棱镜组成；所述光学滤波系统都由格兰汤姆森棱镜和光学标准具组成；所述纠缠测量系统由三套平衡零拍探测系统、功率加减法器和可存储数字示波器组成；所述光源单元设有三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3、三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3、三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3和三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3；其中，三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3分别与第一至第三声光调制器输入端连接，第一至第三声光调制器输出端分别与第一至第三格兰汤姆森棱镜第一输入端连接；三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3分别和第一至第三光学参量放大器第一输入端连接；三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3分别与第四至第六声光调制器输入端连接，第四至第六声光调制器的输出端分别与第一至第三光学参量放大器第二输入端连接，第一至第三光学参量放大器输出端分别与第七至第九声光调制器输入端连接，第七、第八声光调制器输出端分别和第一光学分束器两个输入端连接，第一光学分束器第二输出端和第九声光调制器输出端分别与第二光学分束器的两个输入端连接，第一光学分束器第一输出端和第二光学分束器两个输出端分别与第一至第三格兰汤姆森棱镜第二输入端连接；第一至第三格兰汤姆森棱镜输出端分别和第一至第三原子系综输入端连接；第一至第三原子系综输出端分别与第一至第三光学滤波系统输入端连接；第一至第三光学滤波系统输出端分别与纠缠测量系统第一至第三输入端连接；三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3分别与纠缠测量系统第四至第六输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置，其特征在于：所述光源单元包括可调谐激光器、1x2光学分束器阵列、1x5光学分束器阵列、三个1x3光学分束器阵列、声光调制系统和光学倍频器；其中，可调谐激光器采用低噪声、窄线宽、钛宝石激光器；钛宝石激光器输出的激光通过1x2光学分束器阵列被分为两束激光，第一束激光与1x5光学分束器阵列输入端连接，1x5光学分束器阵列第一输出端通过第二1x3光学分束器阵列产生三束本地振荡光信号输出端aL1、aL2、aL3，1x5光学分束器阵列第二输出端通过声光调制系统和第三1x3光学分束器阵列产生三束控制光信号输出端aC1、aC2、aC3，1x5光学分束器阵列第三至第五输出端产生三束种子光信号输出端aS1、aS2、aS3；第二束激光通过光学倍频器和第一1x3光学分束器阵列产生三束泵浦光信号输出端aPUMP1、aPUMP2、aPUMP3。
3.根据权利要求1所述的一种三个原子系综之间量子纠缠的产生装置，其特征在于：所述第一光学参量放大器工作在参量放大状态，输出正交位相压缩光，所述第二、第三光学参量放大器工作在参量反放大状态，输出正交振幅压缩光。
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| Direct production of three-color polarization entanglement for continuous variable;ZHIHUI YAN 等;《Journal of the Optical Society of America》;20150916;第32卷(第10期);第2139-2145页 * |
| Experimental generation of tripartite polarization entangled states of bright optical beams;Liang Wu 等;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;20160418;第108卷;第161102-1到161102-5页 * |
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