一種偏振無(wú)關(guān)的量子頻率上轉(zhuǎn)換方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種偏振無(wú)關(guān)的量子頻率上轉(zhuǎn)換方法，該上轉(zhuǎn)換方法通過(guò)利用第二類相位匹配的光路和第零類相位匹配的光路同軸串聯(lián)能轉(zhuǎn)換相互正交偏振態(tài)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了同軸的、無(wú)相位延時(shí)的偏振無(wú)關(guān)的頻率上轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，方法簡(jiǎn)單，利用同軸串聯(lián)的第二類相位匹配光路和第零類相位匹配光路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正交偏振糾纏態(tài)的光量子頻率上轉(zhuǎn)換，通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)償器可以做到兩個(gè)偏振的無(wú)延時(shí)合束，保持入射信號(hào)光完整性，該設(shè)計(jì)具有偏振無(wú)關(guān)的特性。
【專利說(shuō)明】一種偏振無(wú)關(guān)的量子頻率上轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種偏振無(wú)關(guān)的量子頻率上轉(zhuǎn)換方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]量子計(jì)算機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)，吸引許許多多科學(xué)工作者從事相關(guān)研究。量子通信可以光子作為載體，糾纏態(tài)作為qubit編碼信息。而光纖通信以1550nm波段最優(yōu)，糾纏態(tài)信息的存儲(chǔ)目前在銣蒸汽中效率最高，其波長(zhǎng)在800nm左右。因此，如何在保持量子特性，特別是其糾纏態(tài)不改變的情況下，實(shí)現(xiàn)SOOnm附近光子與1550nm通信波段光子之間的相互轉(zhuǎn)化，成了關(guān)鍵性的問(wèn)題。1992年Kumar通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)頻率轉(zhuǎn)換前后的光子非經(jīng)典強(qiáng)度相關(guān)性，驗(yàn)證得出光子頻率上轉(zhuǎn)換后其量子特性得以保持。在這些量子糾纏態(tài)中，偏振糾纏態(tài)因其容易產(chǎn)生，能夠精準(zhǔn)控制，且便于測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。Paul G.Kwiat等人從經(jīng)典場(chǎng)出發(fā)，推導(dǎo)出光子相位和偏振在頻率轉(zhuǎn)換的過(guò)程中適當(dāng)條件下是保持原來(lái)的特性。
[0003]正是由于這一重要的量子特性，頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)才能在量子光學(xué)領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。忽略泵浦在上轉(zhuǎn)換過(guò)程的能量損耗，可以用Ep表示，則和頻過(guò)程中系統(tǒng)哈密頓量可以表示為:
其中H力信號(hào)光子的湮滅算符，S是和頻光子產(chǎn)生算符，g為耦合系數(shù)。應(yīng)用初始條件，得出在出射非線性介質(zhì)的時(shí)刻，入射光子態(tài)和和頻光子態(tài)的表達(dá)式:
`SL1CO= S1(O) Cos(IgSpIzi)-a2(0)sirijg^ |z)
a2C￡) = S2(O) coslgfi^l!)+S1(O)SmlIgSpIil)
L為非線性晶體中相互作用的長(zhǎng)度。從以上兩個(gè)算符表達(dá)式可以看出，在滿足 = 時(shí),和頻光子與信號(hào)光子可以實(shí)現(xiàn)完全的轉(zhuǎn)換，并且保持完全相同的量子態(tài)，
即從幻=S1(O)。由此可知，光子在和頻轉(zhuǎn)換后是可以保持其原始光子特性的。
[0004]由于頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)是基于二階非線性晶體的非線性作用過(guò)程，除了滿足能量守恒
+ = ￡2? ,
頌V %分別表示信號(hào)光、泵浦光及和頻光的頻率，還需要滿足相位匹配條件 + Φ2η2 = ，
其中nTt 分別對(duì)應(yīng)頻率微1、%、的光波在介質(zhì)中相應(yīng)偏振態(tài)的折射率。為
了滿足相位匹配條件，對(duì)信號(hào)光和泵浦光都有特定的偏振方向要求。晶體中發(fā)生第二類相位匹配和第零類相位匹配所要滿足的條件如下表所示。例如，為滿足第二類相位匹配條件，水平偏振信號(hào)光(P〉)的頻率W1與其在晶體中的折射率％乘積和豎直偏振泵浦光(Ψ))的
頻率OJ2與其在晶體中的折射率乘積之和等于水平偏振和頻光(
【權(quán)利要求】
1.一種偏振無(wú)關(guān)的量子頻率上轉(zhuǎn)換方法，涉及入射的泵浦光和信號(hào)光，其特征在于所述上轉(zhuǎn)換方法具體為:在同一個(gè)光路中分別采用第二類相位匹配和第零類相位匹配，所述第二類相位匹配過(guò)程中，入射的所述泵浦光與信號(hào)光偏振相互垂直，且出射的上轉(zhuǎn)換光偏振與所述信號(hào)光一致；所述第零類相位匹配過(guò)程中，入射的所述泵浦光與信號(hào)光以及出射的上轉(zhuǎn)換光偏振方向均一致，利用偏振分束器將水平偏振態(tài)的所述上轉(zhuǎn)換光和垂直偏振態(tài)的所述上轉(zhuǎn)換光合束，實(shí)現(xiàn)與入射光量子偏振態(tài)完全相同的頻率上轉(zhuǎn)換過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振無(wú)關(guān)的量子頻率上轉(zhuǎn)換方法，其特征在于所述第二類相位匹配的光路包含二向色鏡I以及第二類相位匹配晶體，所述二向色鏡I位于所述泵浦光和信號(hào)光的正交點(diǎn)處，以使兩者合束入射所述第二類相位匹配晶體后，入射所述第零類相位匹配的光路；所述第零類相位匹配的光路包含偏振分束器I和偏振分束器I1、第零類相位匹配晶體和二向色鏡II，入射進(jìn)所述第零類相位匹配的光路的光經(jīng)過(guò)所述偏振分束器I分束，一路光經(jīng)過(guò)所述第零類相位匹配晶體后，經(jīng)所述二向色鏡II反射入射所述偏振分束器II，另一路光經(jīng)過(guò)反射并通過(guò)補(bǔ)償器入射所述偏振分束器II，入射所述偏振分束器II的兩路光合束后得到完整的和頻光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種偏振無(wú)關(guān)的量子頻率上轉(zhuǎn)換方法，其特征在于所述第二類相位匹配的光路中，所述泵浦光經(jīng)一 45°夾角設(shè)置的反射鏡入射所述二向色鏡I。
【文檔編號(hào)】G02B27/28GK103488022SQ201310409574
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】周茜, 湯瑞凱, 李雄杰, 武愕, 潘海峰, 吳伯濤, 曾和平 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)