一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法
阅读说明：本技术 一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法 (Quantum correlated photon pair generation device and method with controllable output spectrum ) 是由 李小英 崔亮 王锦津 冯昊 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置,由装置本体构成,包括脉冲激光器、滤波器、第一非线性介质、第二非线性介质和多通道滤波器；所述第一非线性与所述第二非线性介质之间设有一可重构的量子关联光子对输出的光学4F系统,所述光学4F系统包括：第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器和第二凸透镜；所述第一光栅位于第一凸透镜的前焦点,空间光调制器位于第一凸透镜的后焦点,第二凸透镜的前焦点与第一凸透镜的后焦点重叠,第二光栅位于第二凸透镜的后焦点,本发明可提高色散介质的相位延迟的精确性。(The invention discloses a quantum-associated photon pair generation device with controllable output spectrum, which consists of a device body and comprises a pulse laser, a filter, a first nonlinear medium, a second nonlinear medium and a multi-channel filter, wherein the pulse laser is connected with the filter; a reconfigurable optical 4F system of quantum-correlated photon pair output is disposed between the first nonlinear medium and the second nonlinear medium, the optical 4F system comprising: the spatial light modulator comprises a first grating, a first convex lens, a spatial light modulator and a second convex lens; the first grating is positioned at the front focus of the first convex lens, the spatial light modulator is positioned at the back focus of the first convex lens, the front focus of the second convex lens is overlapped with the back focus of the first convex lens, and the second grating is positioned at the back focus of the second convex lens.)
技术领域
本发明属于量子信息科学与技术领域，涉及基于非线性光学参量过程的各类量子态制备，包括量子关联光子、单光子以及孪生光束等，具体为一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法。
背景技术
非线性介质中的光学参量过程是一种制备光学量子态的有效方法。常用的光学参量过程包括χ(2)二阶非线性介质中的参量下转换过程以及χ(3)三阶非线性介质中的四波混频过程。不失一般性，下面以脉冲光泵浦的四波混频过程为例进行讨论。从量子力学角度看，四波混频过程可被视为：来源于泵浦光场中的两个光子湮灭，并同时产生一对频率分别为ωs和ωi的关联光子对，且该过程满足能量守恒和动量守恒。所产生的一对光子被分别称为信号光子和闲频光子，对应的光场分别被称为信号光场和闲频光场。参量过程所产生信号光子和闲频光子的频谱特性可由联合频谱函数F(ωs,ωi)描述。联合频谱函数F(ωs,ωi)正比于产生一对频率分别为ωs和ωi的信号光子和闲频光子的几率振幅。不同的量子信息应用往往需要具有特定联合频谱函数的量子关联光子对，例如，基于量子关联光子对的宣布式单光子源就要求量子关联光子对具有可分解的联合频谱函数，即联合频谱函数可写为F(ωs,ωi)＝S(ωs)I(ωi)的形式。如何灵活准确地控制量子关联光子对的频谱特性是光学量子态制备研究中的一个重要问题。
首先考察利用高斯型脉冲光泵浦单段均匀非线性介质的情况。通过四波混频过程所产生量子关联光子对的联合频谱函数取决于高斯泵浦包络函数和相位匹配函数的乘积：
其中，ωp0为泵浦光的中心频率，σp为泵浦光的带宽，泵浦、信号和闲频光的波长与频率的关系为λj＝2πc/ωj(j＝p,s,i，而c代表光速)；L为非线性介质长度，Δk＝2kp-ks-ki-2γPp为非线性介质中的波矢失配，kp、ks和ki分别代表泵浦、信号光子和闲频光子的传播常数，γ代表介质的非线性系数，Pp代表泵浦光的峰值功率。
然后考虑两段相同的均匀非线性介质中间设置单段均匀色散介质的两级结构。这里色散介质的作用仅为引入色散，不产生量子关联光子对。此时量子关联光子对的联合频谱可写为
与单段情况相比多出一项干涉项其中Δφ＝2φp-φs-φi是色散介质引入的相位差，取决于色散介质的色散以及长度。通过改变色散介质的色散和长度，可实现对干涉项的控制，从而实现对量子关联光子对联合频谱的控制。
然而，由于色散介质引入的相位差Δφ在色散介质确定后也就随之确定，若要改变Δφ则需要改变色散介质长度或更换色散介质，这给实际应用带来不便。若能更为灵活地控制Δφ，则可提高量子关联光子对联合频谱控制的灵活性和准确性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，在两段相同的均匀非线性介质的中间设置由两个光栅、两个凸透镜、一个空间光调制器构成的相位控制装置，通过改变相位控制装置在不同频率处所引入的相位，从而实现对量子关联光子对频谱的灵活调控。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，装置本体包括脉冲激光器、滤波器、第一非线性介质、第二非线性介质和多通道滤波器；所述第一非线性介质与所述第二非线性介质之间设有一可控制量子关联光子对输出频谱的光学4F系统，所述光学4F系统包括：第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅；所述第一光栅位于第一凸透镜的前焦点，空间光调制器位于第一凸透镜的后焦点，第二凸透镜的前焦点与第一凸透镜的后焦点重叠，第二光栅位于第二凸透镜的后焦点。
进一步的，各段所述的第一非线性介质和第二非线性介质为两段相同的块状或具有波导结构的二阶或三阶非线性介质。
进一步的，各段所述的第一光栅和第二光栅为两个相同的反射光栅或透射光栅；所述第一凸透镜和第二凸透镜为两个相同的球面凸透镜或柱面凸透镜。
本发明还可以采用如下技术予以实施：
一种输出频谱可控的量子关联光子对产生方法，采用的产生装置包括脉冲激光器、滤波器、第一非线性介质、第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器、第二凸透镜、第二光栅、第二非线性介质和多通道滤波器；所述第一非线性与所述第二非线性介质之间设有一可控制量子关联光子对输出频谱光学4F系统，所述光学4F系统包括：第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅；第一光栅位于第一凸透镜的前焦点，空间光调制器位于第一凸透镜的后焦点，第二凸透镜的前焦点与第一凸透镜的后焦点重叠，第二光栅位于第二凸透镜的后焦点；其中：所述光学4F系统通过如下步骤实现量子关联光子对输出频谱的控制：
S1、所述脉冲激光器输出的脉冲激光经滤波器滤波后作为泵浦光输入第一非线性介质，第一非线性介质中的参量过程输出具有量子关联性的量子关联光子对，量子关联光子对中的光子可分别称为信号光子和闲频光子；
S2、所述第一光栅在空间将第一非线性介质输出的泵浦光和量子关联光子对进行空间散开再通过第一凸透镜后入射到空间光调制器的不同的位置；
S3、所述空间光调制器通过控制泵浦光和量子关联光子对所对应位置的像素的灰度，实现对泵浦光和量子关联光子对不同频率处引入不同的相位延迟并输出经过相位延迟控制的泵浦光、信号光子、闲频光子；
S4、所述第二凸透镜和第二光栅在空间将泵浦光、信号光子、闲频光子合为一束输入第二非线性介质，所述第二非线性介质中产生的量子关联光子对与第一非线性介质中产生的量子关联光子对在频谱强度分布上发生干涉；
S5、所述多通道滤波器将经过干涉后的量子关联光子对中的信号光子和闲频光子分别进行滤波输出。
进一步，所述空间光调制器在不同频率ω处引入由相位函数φ(ω)描述的相位延迟，即，对频率为ωp的泵浦光引入的相位延迟可表示为φ(ωp)、对频率为ωs的信号光子引入的相位延迟可表示为φ(ωs)、对频率为ωi的闲频光子引入的相位延迟可表示为φ(ωi)。
进一步，所述第二非线性介质中产生的量子关联光子对与第一非线性介质中产生的量子关联光子对在频谱强度分布上发生干涉项为其中，Δk为第一非线性介质和第二非线性介质中泵浦光、信号光子、闲频光子之间的波矢失配，L为第一非线性介质和第二非线性介质的长度，Δφ＝xφ(ωp)-φ(ωs)-φ(ωi)是空间光调制器所引入的泵浦光、信号光子、闲频光子之间的相位差，对于二阶非线性介质x取1，对于三阶非线性介质x取2；当第一非线性介质和第二非线性介质确定后，ΔkL就随之固定，其中φ(ωp)、φ(ωs)、φ(ωi)则可通过控制空间光调制器实现独立控制，因而可通过定义不同的分段相位函数φ(ω)来改变Δφ，从而控制干涉项的大小；即当控制空间光调制器引入不同的分段相位函数φ(ω)时，实现对量子关联光子对输出频谱的控制。
与现有技术相比，本发明所带来的有益效果是：
(1)通过在两段非线性介质中间设置由两个光栅、两个凸透镜、一个空间光调制器构成的相位控制装置，可在不同频率处引入从0到2π之间的可控相位延迟，该相位延迟由相位函数φ(ω)描述。与在两段非线性介质中间设置色散介质来引入相位延迟相比，本发明的相位控制装置可提高相位延迟的精确性。
(2)相位控制装置所对应的相位函数φ(ω)可根据需要进行定义，从而可控制对泵浦光、信号光子、闲频光子引入的相位差Δφ，进而控制干涉项以及量子关联光子对的频谱。与基于两段非线性介质中间设置单段色散介质的两级结构相比，利用本发明的装置和方法，可实现编程和可重构的量子关联光子对输出，从而提高量子关联光子对频谱控制的灵活性。
附图说明
图1是本发明一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置图。图中，1脉冲激光器、2滤波器、3第一非线性介质、4第一光栅、5第一凸透镜、6空间光调制器、7第二凸透镜、8第二光栅、9第二非线性介质、10多通道滤波器；带箭头的实线表示泵浦光及其传输方向、带箭头的虚线代表量子关联光子对及其传输方向、带箭头的空心线代表共线传播的泵浦光和量子关联光子对以及其传输方向。
图2是单段色散位移光纤中产生的量子关联光子对的频谱强度等高线分布，亦即泵浦光的包络函数等高线分布。
图3是分段相位函数φ(ω)图。
图4是将图3中的分段相位函数代入到干涉项后得到干涉项的强度等高线分布图。
图5是整个装置所输出的量子关联光子对频谱函数的频谱强度分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，结构如图1所示，包括脉冲激光器1、滤波器2、第一非线性介质3、第一光栅4、第一凸透镜5、空间光调制器6、第二凸透镜7、第二光栅8、第二非线性介质9、多通道滤波器10。
其中，第一非线性介质3和第二非线性介质9为两段相同的块状或具有波导结构的二阶或三阶非线性介质；第一光栅4和第二光栅8为两个相同的反射光栅或透射光栅，第一凸透镜5和第二凸透镜7为两个相同的球面凸透镜或柱面凸透镜，第一光栅4位于第一凸透镜5的前焦点，空间光调制器6位于第一凸透镜的后焦点，第二凸透镜7的前焦点与第一凸透镜5的后焦点重叠，第二光栅8位于第二凸透镜7的后焦点。在第一非线性介质3和第二非线性介质9之间，第一光栅4、第一凸透镜5、空间光调制器6、第二凸透镜7、第二光栅8组成了一个光学4F系统。
本发明一种输出频谱可控的量子关联光子对产生方法，具体步骤为：
采用图1所示装置，脉冲激光器1输出的脉冲激光经滤波器2滤波后作为泵浦光输入第一非线性介质3，第一非线性介质3中的参量过程产生量子关联光子对，所产生的量子关联光子对中两个光子的频率不同于泵浦光，可分别称为信号光子和闲频光子。第一非线性介质3输出的泵浦光和量子关联光子对通过第一光栅4在空间散开，再通过第一凸透镜后5入射到空间光调制器6的不同的位置，由于不同频率的光对应空间光调制器上不同的像素，因此通过控制空间光调制器6不同像素的灰度，即可在不同频率处引入由相位函数φ(ω)描述的从0到2π之间的任意相位延迟，对频率为ωp的泵浦光引入的相位延迟可表示为φ(ωp)、对频率为ωs的信号光子引入的相位延迟可表示为φ(ωs)、对频率为ωi的闲频光子引入的相位延迟可表示为φ(ωi)。空间光调制器6输出的经过相位延迟控制的泵浦光、信号光子、闲频光子通过第二凸透镜和第二光栅在空间合为一束，并输入第二非线性介质。由于第二非线性介质中产生的量子关联光子对与第一非线性介质中产生的量子关联光子对在频谱强度分布上发生干涉，因此整个装置所输出的量子关联光子对频谱函数可以表示为
其中F(ωs,ωi)为单段非线性介质对应的量子关联光子对频谱函数，而
为干涉项，其中Δk为第一非线性介质和第二非线性介质中泵浦光、信号光子、闲频光子之间的波矢失配，L为第一非线性介质和第二非线性介质的长度，Δφ＝xφ(ωp)-φ(ωs)-φ(ωi)(对于二阶非线性介质x＝1，对于三阶非线性介质x＝2)是空间光调制器所引入的泵浦光、信号光子、闲频光子之间的相位差。
由于装置中的第一非线性介质和第二非线性介质确定后，ΔkL就随之固定，但φ(ωp)、φ(ωs)、φ(ωi)则可通过控制空间光调制器实现独立控制，因此可通过定义相位函数φ(ω)来改变Δφ，从而控制干涉项的大小，进而控制量子关联光子对的输出频谱。例如，当ΔkL+Δφ＝0时，对应着干涉极大，此时量子关联光子对的输出频谱最强，当ΔkL+Δφ＝π时，对应着干涉极小，此时量子关联光子对的输出频谱最弱。
最后，利用多通道滤波器10将经过干涉后的量子关联光子对中的信号光子和闲频光子分别进行滤波输出。
实施例
在本实施例中，利用本装置并选用色散位移光纤作为非线性光纤，制备了频谱不相关的量子关联光子对。
两段色散位移光纤零色散波长均为1552.8nm、群速度色散斜率均为0.075ps/km/(nm)2，长度均为30m。泵浦脉冲泵浦光为标准高斯频谱，中心波长为1553.33nm，半最大全宽为0.9nm；γPp取1km-1。为了讨论方便，本发明设泵浦光中心频率为ωp0，满足相位匹配条件的信号光子中心频率为ωs0、闲频光子频率为ωi0。在ωs0和ωi0附近，可认为ΔkL→0，此时单段色散位移光纤中产生的量子关联光子对的频谱即可近似为泵浦光的包络函数，即
该函数的强度分布如图2所示。注意在图2及后续的讨论中，本发明使用了泵浦带宽σp作为频率的单位。
为了制备频谱不相关的量子关联光子对，本发明定义了如图3所示的分段相位函数φ(ω)，即：
其中这样即有如下近似关系：
当把图3中的分段相位函数代入到干涉项即可得到干涉项的强度分布图，结果如图4所示。进而可得到整个装置所输出的量子关联光子对频谱函数 的频谱强度分布图，结果如图5所示。从图5可以看出，该强度分布图表现为一个对称的圆形分布，因而具有频谱不相关的特征。
上述分析表明当把图3中的分段相位函数加载到空间光调制器上，即可制备出频谱不相关的量子关联光子对。
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