CN107272299A - 多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多个原子系综之间连续变量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低效率制备的技术问题。本发明的技术方案是：多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，包括光源单元、若干声光调制器、四套非简并光学参量放大器、光学分束器、四套原子系统和测量系统；所述光源单元设有四束种子光脉冲信号aS1‑aS4输出端、四束控制光脉冲信号aC1‑aC4输出端和四束本地振荡光信号aL1‑aL4输出端；所述种子光脉冲信号aS1‑aS4通过声光调制器、光学参量放大器、光学分束器与原子系统输入端连接；控制光脉冲信号aC1‑aC4输出端通过声光调制器与原子系统的第二输入端连接，原子系统输出端与测量系统连接；本地振荡光信号aL1‑aL4与测量系统连接。
Description
技术领域
本发明涉及多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，具体是一种四个原子系综之间的连续变量量子纠缠的产生装置，并且通过光学谐振腔增强了多个原子系综之间的量子关联度。
背景技术
量子纠缠是实现量子信息和量子测量的核心资源。光子以及光场之间的量子纠缠已经在实验上实现。特别是包含原子量子节点的量子网络是目前量子信息研究的热点。其中，原子系综是实现量子节点的有效介质之一，可以实现量子信息的存储和处理。因此，多个原子系综之间的量子纠缠，不仅对实现宏观物体之间量子关联有重要科学意义，而且是实现量子信息网络的关键技术。电磁诱导透明机制，能够将多个纠缠光脉冲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有效方法。
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低效率制备的技术问题。
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低效率制备的技术问题，提供一种光学谐振腔增强的制备效率高、可扩展性好、可靠性好、原子纠缠度高的多个原子系综之间连续变量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：在光学谐振腔中，利用电磁诱导透明机制实现高存储效率的量子存储。在量子存储作用下，将四个纠缠光脉冲的正交分量的量子态映射到四个原子系综的集体自旋波中，确定性地建立四个原子系综之间的量子纠缠；然后，在量子释放作用下，将四个原子系综的集体自旋波量子态映射到四个释放光脉冲的正交分量中，通过测量它们的关联特性，无条件地验证四个原子系综之间的量子纠缠。
多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，包括光源单元、若干声光调制器、四套非简并光学参量放大器、三个50：50光学分束器、四套原子系统和测量系统；所述光源单元设有四束种子光脉冲信号aS1-aS4输出端、四束控制光脉冲信号aC1-aC4输出端和四束本地振荡光信号aL1-aL4输出端；所述四束种子光脉冲信号aS1-aS4输出端分别与第五至第八声光调制器输入端连接，第五至第八声光调制器输出端分别与四套非简并光学参量放大器输入端连接，四套非简并光学参量放大器输出端分别与第九至第十二声光调制器输入端连接，第十和第十一声光调制器输出端分别与第一光学分束器两个输入端连接，第一光学分束器第一输出端和第九声光调制器输出端分别与第二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十二声光调制器输出端分别与第三光学分束器两个输入端连接，第二光学分束器两个输出端和第三光学分束器两个输出端分别与四套原子系统的第一输入端连接；四束控制光脉冲信号aC1-aC4输出端分别与第一至第四声光调制器输入端连接，第一至第四声光调制器输出端分别与四套原子系统的第二输入端连接，四套原子系统输出端分别与测量系统的第一至第四输入端连接；四束本地振荡光信号aL1-aL4输出端分别与测量系统第五至第八输入端连接。
所述光源单元由可调谐激光器、1x 6光学分束器阵列、两套1x 4光学分束器阵列和声光调制器系统组成；可调谐激光器的输出端与1x 6光学分束器阵列输入端连接，1x 6光学分束器阵列第一输出端与第一1x 4光学分束器阵列输入端连接，第一1x 4光学分束器阵列输出四束本地振荡光信号aL1-aL4，1x 6光学分束器阵列的第二输出端与声光调制器系统输入端连接，声光调制器系统输出端与第二1x 4光学分束器阵列输入端连接，第二1x 4光学分束器阵列输出四束控制光脉冲信号aC1-aC4，1x 6光学分束器阵列的第三至第六输出端输出四束种子光脉冲信号aS1-aS4。
所述原子系统由原子部件和光学谐振腔组成，所述光学谐振腔由四片平腔镜和两套焦距分别为550mm、-500mm的透镜组组成；所述光学谐振腔采用四镜环形腔结构，其腔长为1456mm；第一平腔镜作为输入输出耦合镜，对探针光的透过率为20％；另外三片平腔镜对探针光高反；第四平腔镜被固定在压电陶瓷上。
所述第一、第四光学参量放大器工作在参量放大状态，产生第一、第二正交位相压缩光；第二、第三光学参量放大器工作在参量反放大状态，产生第一、第二正交振幅压缩光；第一、第二正交振幅压缩光场在第一光学分束器以90度相对位相差干涉，第一光学分束器第一输出光场再通过第二光学分束器和第一正交位相压缩光场以0相对位相差干涉，第一光学分束器第二输出光场再通过第三光学分束器和第二正交位相压缩光场以0或90度相对位相差干涉，可以得到四组份GHZ类或Cluster类正交纠缠光脉冲。
本发明采用了上述技术方案，在光学谐振腔内，将多个纠缠光脉冲的量子态高效率地映射到原子系综中，建立多个原子系综之间的量子关联。与背景技术相比，本发明具有确定性制备、可扩展性好和可靠性好的优点，同时通过光学谐振腔增强了量子关联度。本发明具有以下有益效果：
1、本发明以光学谐振腔增强的量子存储为基础，能够将四组份纠缠光的量子态映射到四个原子系综中，确定性地建立四个原子系综集体自旋波之间的量子纠缠；
2、本发明利用光学谐振腔增强光和原子之间的相互作用，由于量子存储效率的提高，多个原子系综之间的纠缠度也被提高。
3、本发明利用光学谐振腔增强电磁诱导透明过程的读出作用，将多个原子系统的量子态映射到释放光脉冲中，通过测量释放光脉冲之间的关联噪声，可以确定性验证多个原子系统之间的量子纠缠。
4、本发明的扩展性好，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。
本发明是光学谐振腔增强的多个不同原子系综之间量子纠缠的无条件产生装置，适合应用于包含原子节点的量子信息网络，特别是高保真量子信息的处理。
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本发明原子系综的能级示意图；
图4本发明光信号的控制时序图；
图5本发明原子系统的结构示意图；
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，本实施例中的多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，包括光源单元1、十二个声光调制器21-24和31-38、四套非简并光学参量放大器41-44、三个50：50光学分束器51-53、四套原子系统6a-6d和测量系统7；所述光源单元1设有四束种子光脉冲信号aS1-aS4输出端、四束控制光脉冲信号aC1-aC4输出端和四束本地振荡光信号aL1-aL4输出端；所述四束种子光脉冲信号aS1-aS4输出端分别与第五至第八声光调制器31-34输入端连接，第五至第八声光调制器31-34输出端分别与四套非简并光学参量放大器41-44输入端连接，四套非简并光学参量放大器41-44输出端分别与第九至第十二声光调制器35-38输入端连接，第十和第十一声光调制器36、37输出端分别与第一光学分束器51两个输入端连接，第一光学分束器51第一输出端和第九声光调制器35输出端分别与第二光学分束器52两个输入端连接，第一光学分束器51第二输出端和第十二声光调制器38输出端分别与第三光学分束器53两个输入端连接，第二光学分束器52两个输出端和第三光学分束器53两个输出端分别与四套原子系统6a-6d的第一输入端①连接；四束控制光脉冲信号aC1-aC4输出端分别与第一至第四声光调制器21-24输入端连接，第一至第四声光调制器21-24输出端分别与四套原子系统6a-6d第二输入端②连接；四套原子系统6a-6d输出端分别与测量系统7的第一至第四输入端①、②、③、④连接；四束本地振荡光信号aL1-aL4输出端分别与测量系统7第五至第八输入端⑤、⑥、⑦、⑧连接。
所述第一、第四光学参量放大器41、44工作在参量放大状态，产生第一、第二正交位相压缩光；第二、第三光学参量放大器42、43工作在参量反放大状态，产生第一、第二正交振幅压缩光；第一、第二正交振幅压缩光场在第一光学分束器51以90度相对位相差干涉，第一光学分束器51第一输出光场再通过第二光学分束器52和第一正交位相压缩光场以0相对位相差干涉，第一光学分束器51第二输出光场再通过第三光学分束器53和第二正交位相压缩光场以0或90度相对位相差干涉，可以得到四组份GHZ类或Cluster类正交纠缠光脉冲。
如图2所示，所述光源单元由可调谐激光器11、1x 6光学分束器阵列12、两套1x 4光学分束器阵列13、14、声光调制器系统15组成；可调谐激光器11的输出端与1x 6光学分束器阵列12输入端连接，1x 6光学分束器阵列12第一输出端与第一1x 4光学分束器阵列13输入端连接，第一1x 4光学分束器阵列13输出四束本地振荡光信号aL1-aL4，1x 6光学分束器阵列12的第二输出端与声光调制器系统15输入端连接，声光调制器系统15输出端与第二1x4光学分束器阵列14输入端连接，第二1x 4光学分束器阵列14输出四束控制光脉冲信号aC1-aC4，1x 6光学分束器阵列12的第三至第六输出端输出四束种子光脉冲信号aS1-aS4。可调谐激光器11采用低噪声、窄线宽、钛宝石激光器，该激光器输出795nm的激光，对应于铷原子的吸收线。声光调制器系统15由两个双次穿过的1.7GHz声光调制器组成，用于实现激光6.8GHz的移频，获得控制光脉冲信号aC1-aC4。
如图3所示，所述原子系统6a-6d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。利用钛宝石激光器的调谐特性和声光调制系统15的移频特性，获得相应波长的光信号。四束控制光脉冲信号aC1-aC4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；四束种子光脉冲信号aS1-aS4和四束本地振荡光信号aL1-aL4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，利用十二个声光调制器21-24、31-38的开关特性，实现相应的时序控制。整个控制周期取1毫秒。四束本地振荡光信号aL1-aL4处于常开状态。在光和原子相互作用的10微秒内,利用第五至第八声光调制器31-34将四束种子光脉冲信号aS1-aS4关闭，其余时间打开并且输出强的模拟光，用于对光学参量放大器和量子存储中光学谐振腔的锁定。在探针光脉冲信号和原子相互作用时间内，利用第九至第十二声光调制器35-38将探针光脉冲信号aP1-aP4打开500纳秒，用于量子存储。在探针光脉冲信号打开的同时，利用第一至第四声光调制器21-24将四束控制光脉冲信号aC1-aC4打开1微秒,实现探针光脉冲信号aP1-aP4的量子存储；在100纳秒的存储时间后，利用第一至第四声光调制器21-24再次打开四束控制光脉冲信号aC1-aC4，将原子系统的量子态读出。
如图5所示，所述原子系统6a由原子部件和光学谐振腔组成，所述原子部件由原子气室61磁屏蔽系统和温控系统64组成，所述磁屏蔽系统由磁屏壁纸62和磁屏蔽筒63组成；光学谐振腔由四片平腔镜65、66、67、68和两套焦距分别为550mm、-500mm的透镜组69、60组成。所述原子气室61充有原子气体和一定量的缓冲惰性气体，在原子气室的通光面镀有激光相应波长的减反膜；原子气室61的外层用磁屏蔽纸62包裹，并且放置于金属的磁屏蔽筒63内；在磁屏蔽筒63的外层采用加热带、保温材料和控温仪器组成的温控系统64对铷原子加热并且精确控温。所述光学谐振腔采用四镜环形腔结构，其腔长为1456mm；其中，第一片平腔镜65设在探针光脉冲信号aP1的入射光路上作为输入输出耦合镜，对探针光的透过率为20％；第二片平腔镜66设在探针光脉冲信号aP1的入射光路上并位于第一片平腔镜65a的后面，对探针光高反，第三和第四片平腔镜67、68设在原子部件的两边并位于探针光脉冲信号aP1的反射光路上，对探针光高反；第一套透镜组69设在第一片平腔镜65和第四片平腔镜68的反射光路中，对探针光高透，第二套透镜组60设在第二片平腔镜66和第三片平腔镜67的反射光路中，对探针光高透，将腔内光斑放大，以增大光和原子相互作用的区域；第四平腔镜68被固定在压电陶瓷上。其余三套原子系统6b-6d的结构与原子系统6a的结构相同。
如图6所示，所述测量系统7由四套平衡零拍探测系统74-77和功率加减法器78和数字可存储示波器79组成；每套平衡零拍探测系统包括50：50光学分束器70、平衡零拍探测器71、72和功率减法器73，50：50光学分束器70设在第一平衡零拍探测器71和第二平衡零拍探测器72的入射光路上，第一平衡零拍探测器71的输出端与功率减法器73的第一端连接，第二平衡零拍探测器72的输出端与功率减法器73的第二端连接。四套平衡零拍探测系统中的功率减法器73输出端分别与功率加减法器78的四个端连接；释放的探针光a’P1-a’P4和本地振荡光aL1-aL4通过四套平衡零拍探测系统74-77、功率加减法器78和数字可存储示波器79对释放的探针光a’P1-a’P4的正交分量的量子噪声进行测量、存储和分析，并且利用模拟光对其干涉位相差进行锁定。
根据多组份不可分判据，如果四个释放光脉冲信号的关联噪声满足如下不等式：
<Δ2(Y1-Y2)>+<Δ2(X1+X2+g1X3+g1X4)>≤1
<Δ2(Y2-Y3)>+<Δ2(g1X1+X2+X3+g1X4)>≤1
<Δ2(Y3-Y4)>+<Δ2(g1X1+g1X2+X3+X4)>≤1
那么，四个原子系综之间存在GHZ类量子纠缠。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，gi(i＝1，2，3，4)是最佳增益因子，以得到最小关联噪声。
如果四个释放光脉冲信号的关联噪声满足如下不等式：
<Δ2(Y1-Y2)>+<Δ2(X1+X2+g3X3)>≤1
<Δ2(X3-X4)>+<Δ2(-g2Y2+Y3+Y4)>≤1
<Δ2(g1X1+X2+2X3)>+<Δ2(-2Y1+Y3+g4Y4)>≤2
那么，四个原子系综之间存在Cluster类量子纠缠，通过调节最佳增益因子，可以得到最小关联噪声。
Claims (4)
1.多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，其特征在于：包括光源单元、若干声光调制器、四套非简并光学参量放大器、三个50：50光学分束器、四套原子系统和测量系统；所述光源单元设有四束种子光脉冲信号aS1-aS4输出端、四束控制光脉冲信号aC1-aC4输出端和四束本地振荡光信号aL1-aL4输出端；所述四束种子光脉冲信号aS1-aS4输出端分别与第五至第八声光调制器输入端连接，第五至第八声光调制器输出端分别与四套非简并光学参量放大器输入端连接，四套非简并光学参量放大器输出端分别与第九至第十二声光调制器输入端连接，第十和第十一声光调制器输出端分别与第一光学分束器两个输入端连接，第一光学分束器第一输出端和第九声光调制器输出端分别与第二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十二声光调制器输出端分别与第三光学分束器两个输入端连接，第二光学分束器两个输出端和第三光学分束器两个输出端分别与四套原子系统的第一输入端连接；四束控制光脉冲信号aC1-aC4输出端分别与第一至第四声光调制器输入端连接，第一至第四声光调制器输出端分别与四套原子系统的第二输入端连接，四套原子系统输出端分别与测量系统的第一至第四输入端连接；四束本地振荡光信号aL1-aL4输出端分别与测量系统第五至第八输入端连接。
2.根据权利要求1所述的多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，其特征在于：所述光源单元由可调谐激光器、1x6光学分束器阵列、两套1x4光学分束器阵列和声光调制器系统组成；可调谐激光器的输出端与1x6光学分束器阵列输入端连接，1x6光学分束器阵列第一输出端与第一1x4光学分束器阵列输入端连接，第一1x4光学分束器阵列输出四束本地振荡光信号aL1-aL4，1x6光学分束器阵列的第二输出端与声光调制器系统输入端连接，声光调制器系统输出端与第二1x4光学分束器阵列输入端连接，第二1x4光学分束器阵列输出四束控制光脉冲信号aC1-aC4，1x6光学分束器阵列的第三至第六输出端输出四束种子光脉冲信号aS1-aS4。
3.根据权利要求1所述的多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，其特征在于：所述原子系统由原子部件和光学谐振腔组成，所述光学谐振腔由四片平腔镜和两套焦距分别为550mm、-500mm的透镜组组成；所述光学谐振腔采用四镜环形腔结构，其腔长为1456mm；第一平腔镜作为输入输出耦合镜，对探针光的透过率为20％；另外三片平腔镜对探针光高反；第四平腔镜被固定在压电陶瓷上。
4.根据权利要求1所述的多个原子系综之间连续变量量子纠缠的产生装置，其特征在于：所述第一、第四光学参量放大器工作在参量放大状态，产生第一、第二正交位相压缩光；第二、第三光学参量放大器工作在参量反放大状态，产生第一、第二正交振幅压缩光；第一、第二正交振幅压缩光场在第一光学分束器以90度相对位相差干涉，第一光学分束器第一输出光场再通过第二光学分束器和第一正交位相压缩光场以0相对位相差干涉，第一光学分束器第二输出光场再通过第三光学分束器和第二正交位相压缩光场以0或90度相对位相差干涉，可以得到四组份GHZ类或Cluster类正交纠缠光脉冲。
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| CN108225578A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-06-29 | 中国科学技术大学 | 一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统 |
| CN111190316A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-05-22 | 太原师范学院 | 一种连续变量三原子系综确定性纠缠产生装置 |
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- 2017-07-28 CN CN201710632340.XA patent/CN107272299B/zh active Active
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