一种简单可靠的制备任意Werner态的方法技术

本发明专利技术公开了一种简单可靠的制备任意Werner态的方法，包括纠缠光源的制备阶段和一个构建可控的去极化信道阶段，前者通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后者使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片；所述可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置一片半波片；完全消相位通道由两块消相位晶体以及它们之间的半波片组成；态的叠加部分包含一块BS。本发明专利技术调节方便，可行性强，可以应用于量子信息处理、量子通信等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种简单可靠的制备任意Werner态的方法
本专利技术属于量子信息
，具体涉及制备一种量子纠缠光源，可应用在量子信息处理等领域。
技术介绍
纠缠是量子世界最重要的特性之一，也是量子信息技术的核心资源。纠缠作为一种资源，可以完成一些经典资源无法完成的任务，比如量子隐形传态、量子密集编码等。在量子信息学中信息的存储、表示、提取都离不开量子态及其演化过程，而纠缠态是量子态中特别重要的一类。在现实生活中，量子系统不可避免的会和外界环境发生作用，从而发生消相干作用，这使得纯的量子态去极化为纠缠态和完全混态的混合体，Werner态就是一种典型的混合态。在许多实际应用，如量子纠缠提纯、量子非局域性检验和量子纠缠测量等研究中，对Werner态这类非最大纠缠态的研究比对最大纠缠态的研究更具有实际意义。制备Werner态的方法有很多，其中最常用的方法是通过参量下转换的方式产生纠缠光子对，并与引入的混态进行混合。自发参量下转换过程是晶体非线性作用的过程，一束频率为ω的泵浦激光与非线性晶体相互作用，以一定概率产生频率分别为ω1，ω2的孪生光子对，一般将其中一个光子称为信号光，另一个称为休闲光，并且满足能量守恒关系ω1+ω2＝ω。在实际应用中，光子的偏振容易操作，大部分采用偏振自由度来制备纠缠态，最常用的双光子最大纠缠态为贝尔态，即混态的引入大多采用纠缠态经过特定的去极化通道，使其发生去极化变为混态。再把最大纠缠态和混态进行混合，就可以得到Werner态，比如p|ψ-><ψ-|+(1-p)I4/4，其中I4代表单位矩阵，p代表最大纠缠态所占比重，0≤p≤1。当p＝0时，该Werner态为完全混态；当p＝1时，该Werner态为最大纠缠态。迄今为止，使用自发参量下转换过程产生最大纠缠光子对，并引入混态制备双光子Werner态的方法已经被许多团队进行过研究。但是在以往的制备方案中都存在着一些缺点，比如：1、最初制备双光子Werner态方法中，首先产生纠缠态的方法是采用非共线I型(I型相位匹配指两下转换光子的偏振相同，可以表示为o→e+e或e→o+o，而II型相位匹配指两下转换光子的偏振垂直，可以表示为o→e+o或e→e+o)相位匹配量子纠缠光源，需要两块紧密贴合较薄的BBO晶体，输出光子对是以泵浦光为中心的同心圆环。当泵浦光为垂直(水平)偏振态时，根据I型相位匹配原理，下转换过程只在第一块(第二块)晶体内发生，产生的光子对均为水平(垂直)偏振。当泵浦光光子的偏振为45度时，其在第一块和第二块晶体中转换的概率相同。所以在圆环上与泵浦光中心对称的两个方向收集光子对时，可以收集到最大纠缠态上述I型相位匹配制备纠缠态的方法收集效率比较低，并且收集孔径越大越容易收集到非关联的光子，从而导致纠缠度下降。我们这里采用的是文献[ZhangCetal.,ExperimentalGreenberger-Horne-Zeilinger-TypeSix-PhotonQuantumNonlocality,Phys.Rev.Lett.,115(2015)260402]中所提出的三明治型纠缠光源的制备方案，如图1所示，其非线性晶体由两块为beamlikeII型切割的BBO晶体4、6和放置在两块BBO晶体中间的真零阶半波片5组成，且两块BBO晶体的光轴平行放置，中间的真零阶半波片的工作波长与下转换光子波长相同，并被设置为45度。泵浦光经过第一块BBO晶体产生路径分别为4a的H偏振和4b的V偏振的偏振纠缠态，经过设置在45度的半波片后，路径6a和6b偏振会变为V偏振和H偏振，所以两块BBO晶体在同一侧产生的两光子偏振方向垂直，并且同一侧产生的光子均为e光或o光，具有相同的光谱。通过补偿晶体让两晶体产生的光子不可区分时，就可以制备出偏振纠缠态。该方案与I型相位匹配方案相比，光源的亮度和耦合效率均得到大幅度提高。在该方案中，真零阶半波片比较薄，做补偿比较容易。借助此高亮度的纠缠光源，可以更为便捷的制备高保真度的双光子Werner态。2、在制备Werner态时，产生混态的方法一般是让量子态通过消相位通道，使其密度矩阵对角元衰减，从而退化为混态。在早期制备Werner态的方案中，消相位通道是由石英片组成的。这种方法只能制备特定参数的Werner态，并且制备方法较复杂。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有的制备双光子Werner态的方法只能制备特定参数的双光子Werner态，以及调节比较复杂，操作难度较大的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为一种简单可靠的制备任意Werner态的方法，包括纠缠光源的制备阶段和一个构建可控的去极化信道阶段，前者通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后者使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，该纠缠光源的制备阶段所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片；所述可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，其中Sagnac环由一块PBS，三片反射镜和一片半波片组成，所述Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置一片半波片；完全消相位通道由一块YVO4晶体，一块LiNbO3晶体以及一片放置在两块所述消相位晶体之间的半波片组成；态的叠加部分包含一块BS。进一步，上述完全消相位通道的两块消相位晶体的光轴方向平行，并与半波片的快轴方向呈22.5度夹角。作为优选，所述YVO4晶体的厚度为0.95～1.02mm。作为优选，所述LiNbO3晶体的厚度为5.09～8.98mm。进一步，上述LiNbO3晶体厚度的79.7倍和YVO4晶体厚度的214.7倍之差要大于203mm。进一步，上述半波片为真零阶半波片。进一步，上述态的叠加是在Sagnac环出口处放置一块BS，其分别对所述通过非线性晶体产生的最大纠缠态和经过去极化信道产生的完全混态进行空间叠加。本专利技术和现有的制备双光子Werner态方法相比具有如下优点：(1)本专利技术通过调节放置于Sagnac环中的半波片的角度，可以制备任意参数的双光子Werner态，因此调节方便。(2)本专利技术采用了量子纠缠光源制备和可控的去极化信道两个模块，集成度高、利于扩展。附图说明图1为三明治型纠缠光源的制备方案；图2为本专利技术的去极化信道的一个实施例的原理示意图；图3为本专利技术的包含去极化信道的纠缠光子源的一个实施例的光路图；图4为参数p值分别为0.992、0.730、0.371和0.010时重构出的密度矩阵实部和虚部示意图；图5为不同参数p值时纠缠度和保真度的变化曲线图。具体实施方式本专利技术在上述三明治型纠缠光子源的基础上增加了去极化信道，并设计了一种完全消相位的通道。本专利技术的完全消相位通道包括YVO4晶体，LiNbO3晶体，以及在两个上述晶体之间放置的一片半波片。所述YVO4晶体的切割角为0度，LiNbO3晶体的切割角为45度，要求泵浦激光正入射晶体，两块消相位晶体的光轴方向平行，并与半波片的快轴方向呈22.5度夹角。在完全消相位通道中，YVO4晶体、LiNbO3晶体和半波片的作用是将偏振的波包在空间、时间上分开。纠缠态经过该通道，就会发生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种简单可靠的制备任意Werner态的方法，包括纠缠光源的制备阶段和一个构建可控的去极化信道阶段，前者通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后者使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，其特征在于：该纠缠光源的制备阶段所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片；所述可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，其中Sagnac环由一块PBS，三片反射镜和一片半波片组成，所述Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置一片半波片；完全消相位通道由一块YVO4晶体，一块LiNbO3晶体以及一片放置在两块所述消相位晶体之间的半波片组成；态的叠加部分包含一块BS。

【技术特征摘要】
1.一种简单可靠的制备任意Werner态的方法，包括纠缠光源的制备阶段和一个构建可控的去极化信道阶段，前者通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下转换过程来纠缠光子对，后者使用可控的去极化信道作用在其中一个光子上引入完全混态，其特征在于：该纠缠光源的制备阶段所用的非线性晶体采用三明治型晶体，其包括两块BBO晶体，以及在所述两块BBO晶体之间放置的一片真零阶半波片；所述可控的去极化信道由Sagnac环、完全消相位通道和态的叠加三部分组成，其中Sagnac环由一块PBS，三片反射镜和一片半波片组成，所述Sagnac环为矩形结构，并在其中两片反射镜之间放置一片半波片；完全消相位通道由一块YVO4晶体，一块LiNbO3晶体以及一片放置在两块所述消相位晶体之间的半波片组成；态的叠加部分包含一块BS。2.如权利要求1所述的简单可靠的制备任意Werner态的方法，其特征在于，所述完全消相位通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琴，王涔洋，刘童俊，李剑，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32