一种多组分纠缠态光场产生装置和方法

1.本发明属于量子光学技术领域，具体涉及一种多组分纠缠态光场产生装置和方法。


背景技术：

2.量子纠缠态光场纠缠是量子通信、量子计量和基于测量的通用量子计算必不可少的物理资源。最近科学家们人对一种特殊的多组分纠缠态(称为cluster态)很感兴趣，因为cluster态是构建量子信息网络和量子计算的先决条件。通用量子计算和多路复用量子信息系统都要求cluster态既要大规模，而且维数至少是二维。目前已经有人提出了几种利用不同系统生成两维或更多维结构的cluster状态的建议，但规模很小，无法扩展。nopa(非简并光学参量放大器)作为连续变量系统中最好的纠缠光源之一，一直是研究的焦点。光力学系统为多组分纠缠的产生提供了另一种理想的平台。


技术实现要素：

3.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多组分纠缠态光场产生装置和方法，以产生不同维度的多组分纠缠态光场。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多组分纠缠态光场产生装置，包括在光路上依次设置的第一腔镜、nopa晶体、第二腔镜、固定器件和弹簧，第一腔镜、nopa晶体、第二腔镜形成非简并光学参量放大器；所述第一腔镜、nopa晶体、和固定器件相对于泵浦光固定设置，所述第二腔镜通过弹簧与所述固定器件连接；所述泵浦光从第一腔镜外侧入射。
5.所述nopa晶体为二类非线性晶体。
6.所述第一腔镜和第二腔镜为凹面镜。
7.所述第二腔镜为反射率高于99％的高反镜。
8.所述第二腔镜为透射率高于99％的增透镜。
9.此外，本发明还提供了一种多组分纠缠态光场产生方法，基于所述的一种多组分纠缠态光场产生装置实现，其通过改变腔的阈值大小，得到不同的多组分纠缠态光场。
10.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种组分纠缠态光场产生装置和方法，利用光机械系统中置入nopa，结合两者的优势，理论计算证实，本发明的装置可以产生结构丰富的多组分纠缠态光场。
附图说明
11.图1为本发明实施例提供的一种多组分纠缠态光场产生装置的结构示意图；
12.图2为八模态哈密顿图的示意图；
13.图3为八模态的a矩阵对应的纠缠度和对应的正则图；
14.图4为60模态的a矩阵对应的纠缠度；
15.图5为通过忽略阈值以下的元素，通过增大压缩从a中获得的60模态的图态。
16.图中：1为第一腔镜，2为nopa晶体，3为第二腔镜，4为固定器件，5为弹簧，6为泵浦光。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1所示，本发明实施例提供了一种多组分纠缠态光场产生装置，包括在光路上依次设置的第一腔镜1、nopa晶体2、第二腔镜3、固定器件4和弹簧5组成机械振子，第一腔镜1、nopa晶体2、第二腔镜3形成非简并光学参量放大器(nopa)；所述第一腔镜1、nopa晶体2、和固定镜4相对于泵浦光6固定设置，所述第二腔镜3通过弹簧5与所述固定镜4连接；所述泵浦光6从第一腔镜1外侧入射进入nopa后，产生多组分纠缠后，纠缠光经第二腔镜3输出，或者，纠缠光经第二腔镜3反射后，从第一腔镜1外侧输出。
19.具体地，本实施例中，所述第一腔镜1和第二腔镜3为凹面镜，所述nopa晶体2为二类非线性晶体。
20.本发明实施例提供的一种多组分纠缠态光场产生装置的工作原理如下：本实施例中，构成非简并光学参量放大器的第一腔镜1是固定的，第二腔镜3是可移动的，可移动的第二腔镜3可以看成为具有有效质量m和频率ω的量子机械谐振子。假设腔自由光谱区ω
fsr
等于反射镜振荡频率ωm的两倍，首先频率为ω
p
的泵浦光会从固定的腔镜入射到腔光力系统，经过非线性晶体发生参量下转换，在腔内产生信号场与闲置光，频率分别为：
21.ωs＝ω0±
nω；
ꢀꢀ
(1)
22.ωi＝ω0±
nω；
ꢀꢀ
(2)
23.两个下转换场满足能量守恒，即ω
p
＝ωs ωi，偏振相互垂直。该系统中的两个下转换模能够与机械振子发生光力耦合的条件是腔的自由光谱区间隔正好是量子机械振子(可移动的腔镜)频率的二倍。
24.如图2所示，为下转换场与机械模之间的纠缠关系图。由于两个下转换模是由同一束入射光驱动，所以不仅两个下转换模之间会有关联，他们还会与机械振子相互作用产生多体纠缠。光力学系统，光机械腔其突出优势在于可以利用力学振子将不同的子系统(如微波场和光场)纠缠起来。如图2所示，图a中直线连接的两个纠缠光模是由下转换产生的，曲线连接的两光模是由于光机械相互作用导致其纠缠。
25.系统的哈密顿量为：
[0026][0027]
其中，为泵浦场的湮灭算符，和表示下转换场的湮灭算符。是光力耦合强度，l为腔长，m为机械振子的有效质量。ωm是第二腔镜3的共振频率。ωj表示第j个模式的共振频率；为驱动场和腔场之间的耦合率，p是泵浦功率，是延迟率，f是腔的精细度，c表示光速。g表示纠缠常数，当参量过程和由于光机械相互作用都存在时，g取值为1，否者为0，i表示虚数，表示约化普朗克常量。
[0028]
系统的h图(哈密顿图)如图2所示。在图2中，可以清楚地看到下转换场之间的关系，以及由于光-机械相互作用而导致两光模之间的相互作用。在实际装置中，可以同时产生结构对称的cluster态。为了便于理解，将这些模式重命名为n＝2n(n＝1 2 3 4)。根据相互作用哈密顿量和重命名的模式，g矩阵可以写成：
[0029][0030]
该矩阵可以看作是h(哈密顿图)图的邻接矩阵，该图是二分的或双色的，这意味着所有光学模均被分布为两个集合，两个集合的光模之间没有相互作用。考虑60个光学模式的纠缠，并认为该集合的最后一个模式与该集合之外的模式无相互作用。n个本征模具有下列量子标准偏差：
[0031][0032]
其中，
[0033][0034]
其中a为邻接矩阵，pj为第j个模式的正交位相，qj为第j个模式的正交振幅，e-ξt
是压缩因子，t为哈密顿相互作用时间(或简化模型中的空腔寿命)。
[0035]
本实施例中给出两个不同尺度的图状态的数值例子，所得结果如下。
[0036]
a、小规模
[0037]
以图2所示的八模态的为例，其对应的邻接矩阵a如图3(a)所示，图中的灰度深浅代表不同的纠缠度，图3(b)为对应的正则图，图中的数字1～8代表第1～8个模态，模态之间的连线表示模态之间有纠缠。
[0038]
b、大尺度
[0039]
为了解整个结构，本实施例扩展到任何较大尺度但可计算的模态数，例如60阶模态。在空腔光力系统中，模式数的主要受到nopa非线性过程的相位匹配带宽限制。ii类ktp晶体的相位带宽大约在thz量级，对于1ghz的腔自由光谱区，其模式数能达到103个。图4显示了60种模式对应的邻接矩阵a的纠缠度。尽管邻接矩阵a名义上是一个完整的双色图，即节点1
–
30没有相互连接，而是都连接到所有节点31
–
60。根据这组cluster态纠缠标准，将某一阈值以下的所有元素都定为零。所选阈值与双模压缩的实际值相对应，图5为忽略阈值以下的元素，通过增大压缩从邻接矩阵a中获得的图态，图中对图态进行了剪枝只显示部分的结果。图中(a)表示阈值范围0.51-0.34，压缩范围2.9至4.6db条件下得到的一维纠缠，图中(b)表示阈值范围0.33-0.3，压缩范围4.8至5.2db条件下得到的二维纠缠，图中(c)表示阈值范围0.29-0.25，压缩范围5.3至6db得到的三维纠缠。由于图形是规则的，除了边界处的结构缺陷，只显示中心部分，以清楚地突出图的价和结构的变化。值得注意的是，压缩量的变化可以产生二维和三维结构的cluster态，适合通用量子计算。
[0040]
综上所述，本发明提供了一种多组分纠缠态光场产生装置，通过在光机械系统中加入一个非简并光参量放大器(nopa)来演示大规模cluster态的产生。与i型opo相比，基于空间分离的ii型opo可以直接产生频率梳结构的epr纠缠。在偏振相同和频率间隔为2ωm的情况下，边带可以通过光机械系统纠缠在一起。本发明首次提出将nopa置入光机械系统中，以实现大尺度clueter态的生成，并且可以生成具有一维，二维和三维结构的cluster态，作为可扩展量子系统频率梳的纠缠结构，为量子测量的量子计算奠定了基础。
[0041]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。