本發(fā)明涉及一種量子通道和量子節(jié)點(diǎn)之間連續(xù)變量量子糾纏的產(chǎn)生裝置，具體是一種光和原子系統(tǒng)之間的連續(xù)變量量子糾纏的產(chǎn)生裝置，并且通過光學(xué)諧振腔增強(qiáng)了光和原子系統(tǒng)之間的糾纏度。

背景技術(shù)：

量子糾纏不但是量子力學(xué)的重要內(nèi)容之一，而且是量子信息傳輸和處理的核心資源。光場之間的量子糾纏已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上被制備,并且應(yīng)用于多種量子信息協(xié)議。量子互聯(lián)網(wǎng)可以由光與原子構(gòu)成。其中，光是量子信息的理想傳輸載體。原子可以和光進(jìn)行相互作用，作為量子信息處理和存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)。量子通道和量子節(jié)點(diǎn)之間的量子糾纏是實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。此外，光學(xué)諧振腔能夠有效地增強(qiáng)光和原子相互作用，能夠用于實(shí)現(xiàn)高效率的量子存儲(chǔ)和制備光和原子系統(tǒng)的糾纏源。

在2005年，美國佐治亞理工大學(xué)的kuzmich教授研究組利用自發(fā)拉曼散射過程制備了分離變量的光子和原子系統(tǒng)的糾纏，在prl95,040405(2005)發(fā)表題目為“entanglementofaphotonandacollectiveatomicexcitation”的論文。在2006年，美國加州理工大學(xué)的kimble教授研究組利用自發(fā)拉曼散射過程制備了分離變量的光子和原子系統(tǒng)的糾纏，并且使原子系統(tǒng)的相干時(shí)間延長至21微妙，在prl97,113603(2006)發(fā)表題目為“directmeasurementofdecoherenceforentanglementbetweenaphotonandstoredatomicexcitation”的論文。

以上研究工作利用自發(fā)拉曼散射過程幾率性地制備了分離變量的光和原子糾纏，解決了光和原子系統(tǒng)糾纏制備的技術(shù)問題，但上述方法還存在著幾率性制備的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有制備分離變量的量子通道和量子節(jié)點(diǎn)的糾纏存在著幾率性制備的技術(shù)問題，提供一種擴(kuò)展性好、結(jié)構(gòu)緊湊、量子糾纏度高的可以應(yīng)用于量子信息網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)變量光和原子系統(tǒng)糾纏的量子通道和量子節(jié)點(diǎn)之間連續(xù)變量量子糾纏的產(chǎn)生裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：利用兩個(gè)光學(xué)參量放大器和光學(xué)分束器產(chǎn)生連續(xù)變量糾纏光脈沖對，通過光學(xué)諧振腔增強(qiáng)的電磁誘導(dǎo)透明機(jī)制的寫入過程，將其中一個(gè)光脈沖的量子態(tài)高效率地映射到原子系統(tǒng)中，確定性地建立光和原子系統(tǒng)之間的量子糾纏；并且在讀光的作用下，通過測量釋放光脈沖和另一個(gè)光脈沖的關(guān)聯(lián)特性，驗(yàn)證光和原子系統(tǒng)的糾纏特性。

量子通道和量子節(jié)點(diǎn)之間連續(xù)變量量子糾纏的產(chǎn)生裝置，包括光源單元、五套聲光調(diào)制系統(tǒng)、兩個(gè)光學(xué)參量放大器、50：50光學(xué)分束器、原子系統(tǒng)和糾纏測量系統(tǒng)；所述光源單元設(shè)有兩束種子光信號as1、as2輸出端、控制光信號ac輸出端和兩束本地振蕩光信號al1、al2輸出端；所述兩束種子光信號as1、as2輸出端分別與第二、第三聲光調(diào)制系統(tǒng)輸入端連接，第二、第三聲光調(diào)制系統(tǒng)輸出端分別與兩個(gè)光學(xué)參量放大器輸入端連接，兩個(gè)光學(xué)參量放大器輸出端分別與第四、第五聲光調(diào)制系統(tǒng)輸入端連接，第四、第五聲光調(diào)制系統(tǒng)輸出端與50：50光學(xué)分束器的兩個(gè)輸入端連接，50：50光學(xué)分束器第一輸出端和原子系統(tǒng)第一輸入端連接；控制光信號ac輸出端與第一聲光調(diào)制系統(tǒng)輸入端連接，第一聲光調(diào)制系統(tǒng)輸出端與原子系統(tǒng)第二輸入端連接；原子系統(tǒng)輸出端與糾纏測量系統(tǒng)第一輸入端連接；50：50光學(xué)分束器第二輸出端與糾纏測量系統(tǒng)第二輸入端連接；兩束本地振蕩光信號al1、al2輸出端分別與糾纏測量系統(tǒng)第三、第四輸入端連接。

所述光源單元由可調(diào)諧激光器、單模1x4光纖耦合器、單模1x2光纖耦合器和一套聲光調(diào)制系統(tǒng)組成?？烧{(diào)諧激光器輸出端與單模1x4光纖耦合器輸入端連接，單模1x4光纖耦合器第一輸出端與單模1x2光纖耦合器輸入端連接，單模1x2光纖耦合器輸出兩束本地振蕩光信號al1、al2，單模1x4光纖耦合器第二輸出端與聲光調(diào)制系統(tǒng)輸入端連接，聲光調(diào)制系統(tǒng)輸出控制光信號ac，單模1x4光纖耦合器第三、第四輸出端輸出兩束種子光信號as1、as2。所述可調(diào)諧激光器采用低噪聲、窄線寬、可調(diào)諧鈦寶石激光器。

所述原子系統(tǒng)由原子部件和光學(xué)諧振腔組成。所述光學(xué)諧振腔由三片平腔鏡、兩套焦距分別為550mm、-500mm的透鏡組構(gòu)成；光學(xué)諧振腔采用三鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其腔長為705mm；所述第一平腔鏡作為輸入輸出耦合鏡，對探針光的透過率為15％；第二、第三平腔鏡對探針光高反；第二平腔鏡被固定在壓電陶瓷上。

所述兩個(gè)光學(xué)參量放大器工作在參量反放大狀態(tài)，產(chǎn)生正交振幅壓縮光；所述50：50光學(xué)分束器的兩臂干涉位相差控制在90度。

本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，將連續(xù)變量epr糾纏光的制備和腔增強(qiáng)的量子存儲(chǔ)相結(jié)合，確定性地制備連續(xù)變量光和原子系統(tǒng)的量子糾纏。光學(xué)參量放大器是非經(jīng)典光場的有效制備手段之一。電磁誘導(dǎo)透明機(jī)制適用于非經(jīng)典光場的量子存儲(chǔ)。將上述技術(shù)相結(jié)合，可以制備連續(xù)變量光和原子系統(tǒng)的量子糾纏。同時(shí)，通過光學(xué)諧振腔能增強(qiáng)光和原子系統(tǒng)的相互作用，提高光和原子系統(tǒng)的糾纏度。因此，與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有確定性制備和測量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過光學(xué)諧振腔增強(qiáng)了光和原子系統(tǒng)的量子糾纏度。本發(fā)明設(shè)計(jì)的光和原子系統(tǒng)糾纏的產(chǎn)生裝置有以下有益效果：

1、本發(fā)明所利用的光學(xué)諧振腔增強(qiáng)的電磁誘導(dǎo)透明過程的寫入作用，將一個(gè)連續(xù)變量epr糾纏光脈沖的量子態(tài)高效率地映射到一個(gè)原子系統(tǒng)中，確定性地建立光和原子系統(tǒng)的量子糾纏。

2、本發(fā)明所利用的光學(xué)諧振腔能夠增強(qiáng)電磁誘導(dǎo)透明過程中光和原子系統(tǒng)的相互作用，提高連續(xù)變量量子存儲(chǔ)效率，最終使得光和原子系統(tǒng)的糾纏度變高。

3、本發(fā)明所利用的光學(xué)諧振腔增強(qiáng)的電磁誘導(dǎo)透明過程的讀出作用，將原子系統(tǒng)的量子態(tài)映射到釋放光脈沖中，通過測量釋放光和另一個(gè)糾纏光脈沖的關(guān)聯(lián)噪聲，可以確定性驗(yàn)證光和原子系統(tǒng)的量子糾纏。

4、本發(fā)明具有好的擴(kuò)展性，可以利用多個(gè)糾纏光脈沖和多個(gè)高效量子存儲(chǔ)相結(jié)合，建立多個(gè)量子通道和多個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的量子關(guān)聯(lián)，用于未來的量子信息網(wǎng)絡(luò)。通過頻率變換，其中一個(gè)量子通道的量子態(tài)頻率可以和光纖傳輸窗口匹配，用于量子通信；通過和物質(zhì)相互作用，其中一個(gè)量子通道可以進(jìn)行量子信息處理；通過量子糾纏交換，其中一個(gè)量子通道可以和其它量子網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)。

本發(fā)明所產(chǎn)生的連續(xù)變量量子通道和量子節(jié)點(diǎn)的量子糾纏，適合應(yīng)用于包含原子的量子信息網(wǎng)絡(luò)，特別是建立量子信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的糾纏與量子態(tài)的傳輸。

附圖說明

圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明光源單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明原子系統(tǒng)的能級示意圖；

圖4本發(fā)明光信號的控制時(shí)序圖；

圖5本發(fā)明原子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6本發(fā)明測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，本實(shí)施例中的一種量子通道和量子節(jié)點(diǎn)之間連續(xù)變量量子糾纏的產(chǎn)生裝置，包括光源單元1、五套聲光調(diào)制系統(tǒng)21-25、兩個(gè)光學(xué)參量放大器31-32、50：50光學(xué)分束器4、原子系統(tǒng)5和糾纏測量系統(tǒng)6；所述光源單元1設(shè)有兩束種子光信號as1、as2輸出端、控制光信號ac輸出端和兩束本地振蕩光信號al1、al2輸出端；所述兩束種子光信號as1、as2輸出端分別與第二、第三聲光調(diào)制系統(tǒng)22、23輸入端連接，第二、第三聲光調(diào)制系統(tǒng)22、23輸出端分別與兩個(gè)光學(xué)參量放大器31、32輸入端連接，兩個(gè)光學(xué)參量放大器31、32輸出端分別與第四、第五聲光調(diào)制系統(tǒng)24、25輸入端連接，第四、第五聲光調(diào)制系統(tǒng)24、25輸出端與50：50光學(xué)分束器4的兩個(gè)輸入端連接，50：50光學(xué)分束器4第一輸出端與原子系統(tǒng)5第一輸入端連接；控制光信號ac輸出端與第一聲光調(diào)制系統(tǒng)21輸入端連接，第一聲光調(diào)制系統(tǒng)21輸出端與原子系統(tǒng)5第二輸入端連接，原子系統(tǒng)5輸出端與糾纏測量系統(tǒng)6第一輸入端連接；50：50光學(xué)分束器4第二輸出端與糾纏測量系統(tǒng)6第二輸入端連接；兩束本地振蕩光信號al1、al2輸出端分別與糾纏測量系統(tǒng)6第三、第四輸入端連接。

如圖2所示，所述光源單元由可調(diào)諧激光器11、單模1x4光纖耦合器12、單模1x2光纖耦合器13和一套聲光調(diào)制系統(tǒng)14組成?？烧{(diào)諧激光器11輸出端與單模1x4光纖耦合器12輸入端連接，單模1x4光纖耦合器12第一輸出端與單模1x2光纖耦合器13輸入端連接，單模1x2光纖耦合器13輸出兩束本地振蕩光信號al1、al2，單模1x4光纖耦合器12第二輸出端與聲光調(diào)制系統(tǒng)14輸入端連接，聲光調(diào)制系統(tǒng)14輸出控制光信號ac，單模1x4光纖耦合器12第三、第四輸出端輸出兩束種子光信號as1、as2。所述可調(diào)諧激光器11采用低噪聲、窄線寬、可調(diào)諧鈦寶石激光器，鈦寶石激光器輸出795nm的激光，對應(yīng)于銣87原子的d1吸收線。聲光調(diào)制系統(tǒng)14由兩套雙次穿過的1.7ghz的聲光調(diào)制器組成，用來實(shí)現(xiàn)頻移，獲得和種子光信號頻率相差6.8ghz的控制光信號ac。

如圖3所示，所述原子系統(tǒng)5采用銣87原子的5²s1/2的f＝1和f＝2以及5²p1/2的f’＝1的超精細(xì)能級。利用鈦寶石激光器11的調(diào)諧特性和聲光調(diào)制系統(tǒng)14的移頻特性，獲得相應(yīng)波長的光信號?？刂乒庑盘朼c的頻率和5²s1/2的f＝1到5²p1/2的f’＝1的躍遷吸收線有δ＝700mhz的單光子失諧；種子光as和本地振蕩光al的頻率相同，該頻率和5²s1/2的f＝2到5²p1/2的f’＝1的躍遷吸收線有δ＝700mhz的單光子失諧和δ＝0.5mhz的雙光子失諧量。

如圖4所示，利用五套聲光調(diào)制系統(tǒng)21-25的開關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)光源單元1中各光信號的時(shí)序控制。整個(gè)控制周期取1毫秒。平衡零拍探測系統(tǒng)的本地振蕩光信號常開，輸出強(qiáng)的本地振蕩光信號al1和al2。在光和原子相互作用的10微秒內(nèi),利用第二、第三聲光調(diào)制系統(tǒng)22、23將種子光信號as1、as2關(guān)閉，其余時(shí)間打開并且輸出強(qiáng)的模擬光，用于對光學(xué)參量放大器和量子存儲(chǔ)中光學(xué)諧振腔的鎖定。在探針光脈沖信號和原子相互作用時(shí)間內(nèi)，利用第四、第五聲光調(diào)制系統(tǒng)24、25將探針光信號ap1、ap2打開500納秒，用于量子存儲(chǔ)。在探針光信號打開的同時(shí)，利用第一聲光調(diào)制器21將控制光信號ac打開1微秒,實(shí)現(xiàn)探針光信號ap1的量子存儲(chǔ)；在100納秒的存儲(chǔ)時(shí)間后，利用第一聲光調(diào)制器21再次打開控制光信號ac，將原子系統(tǒng)的量子態(tài)讀出。

如圖1所示，所述兩個(gè)光學(xué)參量放大器31、32工作在參量反放大狀態(tài)，產(chǎn)生正交振幅壓縮光as1和as2。所述50：50光學(xué)分束器4的兩臂干涉位相差控制在90度。

如圖5所示，所述原子系統(tǒng)5由原子部件和光學(xué)諧振腔組成。所述原子部件由原子氣室51、磁屏蔽系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)54組成，所述磁屏蔽系統(tǒng)由磁屏壁紙52和磁屏蔽筒53組成；所述原子氣室51充有原子氣體和一定量的緩沖惰性氣體，在原子氣室的通光面鍍有激光相應(yīng)波長的減反膜；原子氣室51的外層用磁屏蔽紙52包裹，并且放置于金屬的磁屏蔽筒53內(nèi)；在磁屏蔽筒53的外層采用加熱帶、保溫材料和控溫儀器組成的溫控系統(tǒng)54對銣原子加熱并且精確控溫。所述光學(xué)諧振腔由三片平腔鏡55、56、57和兩套焦距分別為550mm、-500mm的透鏡組58、59組成；光學(xué)諧振腔采用三鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其腔長為705mm；所述第一平腔鏡55和第二平腔鏡56設(shè)在原子部件的兩邊且位于探針光信號ap1的入射光路上，第三平腔鏡57設(shè)在探針光信號ap1的反射光路上；第一平腔鏡55作為輸入輸出耦合鏡對探針光的透過率為15％；第二、第三平腔鏡56、57對探針光高反；第二平腔鏡56被固定在壓電陶瓷上，用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)諧振腔和探針光共振的鎖定；兩套焦距分別為550mm、-500mm的透鏡組58、59分別設(shè)在第一平腔鏡55與第三平腔鏡57和第二平腔鏡55與第三平腔鏡57之間，對探針光高透，將腔內(nèi)光斑放大，以增大光和原子相互作用的區(qū)域。

如圖6所示，所述糾纏測量系統(tǒng)6由兩套平衡零拍探測系統(tǒng)64、65、功率加減法器66和可存儲(chǔ)數(shù)字示波器67組成；第一套平衡零拍探測系統(tǒng)64由50：50光學(xué)分束片60a、兩個(gè)平衡零拍探測器61a、62a、和功率減法器63a構(gòu)成，第二套平衡零拍探測系統(tǒng)65由50：50光學(xué)分束片60b、平衡零拍探測器兩個(gè)61b、62b和功率減法器63b構(gòu)成；兩套平衡零拍探測系統(tǒng)分別對原子系統(tǒng)5的釋放光脈沖信號a’p1和探針光脈沖信號ap2的正交分量進(jìn)行測量；最后通過功率加減法器66和可存儲(chǔ)數(shù)字示波器67對它們的關(guān)聯(lián)噪聲進(jìn)行測量、分析，驗(yàn)證連續(xù)變量光和原子系統(tǒng)的糾纏，也就是量子通道和量子節(jié)點(diǎn)之間的糾纏。

根據(jù)段路明等人提出的不可分判據(jù)可以對光和原子系統(tǒng)糾纏態(tài)進(jìn)行判斷。如果釋放光脈沖信號a’p1和探針光脈沖信號ap2的關(guān)聯(lián)噪聲滿足如下不等式：

<δ²(xa'p1+xap2)>+<δ²(ya'p1-yap2)>≤4,

那么，釋放光脈沖信號a’p1和探針光脈沖信號ap2之間存在糾纏，也就建立了光和原子系統(tǒng)之間存在糾纏。其中，x和y分別表示正交振幅和正交位相分量。