一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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，本发明专利技术可提高色散介质的相位延迟的精确性。的相位延迟的精确性。的相位延迟的精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法


[0001]本专利技术属于量子信息科学与
，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。

技术介绍

[0002]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ω
s
和ω
i
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(ω
s
,ω
i
)描述。联合频谱函数F(ω
s
,ω
i
)正比于产生一对频率分别为ω
s
和ω
i
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(ω
s
,ω
i
)＝S(ω
s
)I(ω
i
)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。
[0003]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：
[0004][0005]其中，ω
p0
为泵浦光的中心频率，σ
p
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λ
j
＝2πc/ω
j
(j＝p,s,i，而c代表光速)；L为非线性介质长度，Δk＝2k
p
‑
k
s
‑
k
i
‑
2γP
p
为非线性介质中的波矢失配，k
p
、k
s
和k
i
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，P
p
代表泵浦光的峰值功率。
[0006]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
[0007][0008]与单段情况相比多出一项干涉项其中Δφ＝2φ
p
‑
φ
s
‑
φ
i
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。
[0009]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。

技术实现思路

[0010]本专利技术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。
[0011]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]本专利技术还可以采用如下技术予以实施：
[0016]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：
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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。
[0022]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ω
p
的泵浦光引入的相位延迟可表示为φ(ω
p
)、对频率为ω
s
的信号光子引入的相位延迟可表示为φ(ω
s
)、对频率为ω
i
的闲频光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，其特征在于，所述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。3.根据权利要求1所述的一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，其特征在于，所述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。4.一种输出频谱可控的量子关联光子对产生方法，其特征在于，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；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引入不同的相位延迟，并输出经过相位延迟...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小英，崔亮，王锦津，冯昊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：