用于产生包括量子纠缠的单光子状态的多个光子的装置

用于产生包括量子纠缠的单光子状态的多个光子的装置
1.本发明涉及一种用于产生包括量子纠缠的(quantum-entangled)单光子状态的光子的装置。
2.所产生的光子包括单光子状态，该单光子状态在单光子的不同自由度之间呈现量子纠缠，即，该装置产生光子，其中单光子具有两个量子纠缠自由度。
3.在现有技术中，光子处于“量子纠缠”状态的光子产生装置是已知的。这些装置包括由以高功率馈电的相干光子源生成的量子纠缠光子的源，例如高功率的受激辐射散发物的光放大(首字母缩写laser，light amplification by stimulated emission of radiation)的源。这些相干源适于产生量子纠缠状态的两个光子对，即，适于产生“粒子内纠缠”，以及在其中单光子具有两个量子纠缠自由度的单光子，即，适于产生“粒子内纠缠”。
4.现有技术教导“粒子内纠缠”状态是从纯单光子状态开始形成的。为了生成这种纯态，使用单光子确定性源，诸如“量子点”或金刚石缺陷，或使用单光子“预报”源。“预报”单光子源包括下述光子源，该光子源在非线性晶体中的参数过程之后生成两个暂时纠缠的光子，例如，通过功率laser诱导自发非线性光学过程，在该过程中单光子又生成两个纠缠光子，在科学术语中被称为“自发参量下转换”，或者其中两个光子生成两个其它纠缠光子，这个过程被称为“四波混合”。在效率约为-40db，即每万个光子生成一对的情况下，这些自发过程是未必确信的，为此它们需要功率laser。然后，这对光子在空间上被分离，并且这对光子中的一个被检测到，从而宣布测量装置中存在另一光子。通过这种方式，人们可以确定单光子的存在，因为产生纠缠光子对的过程效率低，使得不太可能存在具有两个光子的状态。
5.不利的是，相干光子源消耗大量能量来产生这种功率，以便在非线性材料中生成处于量子纠缠状态的光子，用于参数化过程。
6.不利的是，这种相干且高功率的源难以小型化。
7.不利的是，现有技术没有教导如何使用非相干源来产生量子纠缠的单光子状态。
8.不利的是，现有技术没有教导如何使用非相干源来产生量子纠缠的单光子状态并且检测该单光子状态的存在。
9.本发明的目的在于实现一种量子纠缠的单光子状态的源装置。该装置优选地是低成本的。有利地，该装置需要低功率。优选地，该装置需要比已知装置更低的能量消耗。优选地，该装置执行比已知装置更低的散热。优选地，该装置可以是轻量级的。有利地，该设备可以是紧凑的。优选地，该设备可以是小型化的。
10.根据本发明，上述目的之一是利用根据权利要求1所述的量子纠缠的单光子状态的源装置来实现的。
11.本发明的另一目的在于实现包括量子纠缠的单光子状态的源装置的集成光子电路。
12.根据本发明，该另一目的是利用根据权利要求21的集成光子电路来实现的。
13.其他特征被包括在从属权利要求中。
14.本发明的特征和优点参考所附的示意图从以下描述中将是更加明显的，该描述应被理解为示例性而非限制性的，其中：
15.图1是用于产生并检测量子纠缠的单光子状态，即“粒子内纠缠”的装置的示意图，该装置包括根据本发明的量子纠缠的单光子状态的源装置以及用于验证存在量子纠缠的单光子状态的装置，其中源装置包括：第一阶段，该第一阶段包括非相干光子源、干涉滤光器和偏振器(polarizer)；第二阶段，该第二阶段用于生成量子纠缠的单光子状态，并且其中验证装置包括第一准备阶段和第二检测阶段；
16.图2示出了在集成光学中实现的替代配置方案，并且具有替代的第二生成阶段220的波导，该第二生成阶段220使用与图1的方案相比的不同的自由度来生成相对于彼此量子纠缠的单光子状态；
17.图3a至图3d示出了源的未过滤光谱和过滤光谱与对应的自动纠缠光谱之间的比较；
18.图4示出了用于产生和检测量子纠缠的单光子状态的装置的示意图，其中验证装置是可替代的并且包括可替代的第二检测阶段；
19.图5仅示出了替代的源装置的第一阶段，该第一阶段包括衰减laser光子源和偏振器；
20.图6仅示出了替代的源装置的第一阶段，该第一阶段包括非相干源、干涉滤光器和q板；
21.图7仅示出了替代的源装置的第一阶段，该第一阶段包括非相干源、干涉滤光器、偏振器和q板。
22.参考上述附图，并且具体地参考图1，示出了用于产生包括量子纠缠的单光子状态的多个光子的装置。根据本发明的装置100包括源装置200，该源装置200生成包括为量子纠缠的单光子状态的多个光子，即，包括单光子量子纠缠状态的每个单光子包括两个量子纠缠自由度。
23.装置100可以优选地包括用于验证量子纠缠的单光子状态的存在的装置300。
24.源装置200包括第一生成阶段210和第二生成阶段220。
25.第一生成阶段210生成多个光子，其中多个光子中的每个光子包括定义的状态。
26.第二生成阶段220发射出射光子束。
27.从第二生成阶段220出来的光束的每个单光子包括量子状态，该量子状态包括一对处于量子纠缠的独立自由度。这些状态被称为“粒子内纠缠”或“单光子纠缠”(spe，single photon entanglement)状态。
28.第一生成阶段210包括：第一元件211，该第一元件211选择第一自由度，其中所述第一自由度仅包括一对值；以及第二元件212，该第二元件212选择第二自由度，其中所述第二自由度仅包括一对值。
29.第一元件211包括任何光子源10(相干的和非相干的)，并且在这个优选的非限制性示例中，干涉滤光器20以及第二元件212包括偏振器51。
30.第二生成阶段220选择两个自由度中的第一自由度和第二自由度中的值，并且该选择不确定两个自由度中的另一自由度的值。
31.验证装置300包括检测由源装置200生成的单光子的第一准备阶段310和单光子的第二检测阶段320。
32.让我们具体分析源装置200的第一阶段210。
33.源10产生多个光子。
34.需要强调的是，光子源10是任何光子源，例如衰减的laser，或非相干光源，诸如，例如发光二极管(首字母缩写led，light emitting diode)，或在可见光的电磁光谱中发射的光源灯，或在电磁红外光谱中发射的热源或其他非相干源。
35.有利地，非相干源可以被小型化并且已经被用在现有技术的集成光子电路中。例如，led可以被集成到光学电路中。例如，即使在雪崩状况下的反向偏振条件下操作的简单p/n结也可以被集成到光学电路中。
36.如图1、图3、图4、图6和图7所示，对于用于产生量子纠缠的单光子状态的非相干和衰减光的源10，需要在验证装置300的时间分辨率内保持至少一阶的一致性。用于对源装置200产生量子纠缠的单光子状态进行验证的条件是保持两个状态之间，即单光子的自由度之间，的相干叠加。
37.当源10是非相干源时，本发明通过施用在源10的下游的干涉滤光器20保持量子纠缠的自由度的一阶相干性。在这种情况下，第一元件211包括非相干源10和干涉滤光器20两者。
38.干涉滤光器20和偏振器51用于定义在单光子的两个自由度的相干叠加的第二生成阶段220的输入处的单光子状态，该单光子状态是单光子纠缠状态spe。
39.替代性地，如图5所示，当源是衰减laser时，不需要使用干涉滤光器20来保持量子纠缠的自由度的一阶相干性。在这个替代方案中，第一元件211包括衰减laser源10，而没有干涉滤光器20。
40.优选地，当源10是衰减laser时，源10以如下的方式衰减：光子生成频率显著低于用于借助于检测器进行后续测量的单光子检测器的动态范围。作为检测器的动态范围的替代方案，可以预测它是否为检测器的死区时间的倒数。动态范围是指进入用于测量的检测器的光子通量的范围，其中进入的光子引起检测器的线性响应。死区时间是指检测器由于先前检测到的事件而对入射光子不敏感的时间间隔。显着低于是指光子通量，并且意味着低一百倍的数量级。
41.如图1、图3、图4、图6和图7所示，在非相干源10的情况下，干涉滤光器20是以特定波长为中心的带通滤光器，该特定波长取决于非相干源10的波长峰值。光子的波长可以根据源10来选择。在测试的示例中，例如，源10是led，并且干涉滤光器20显示半高宽度(fwhm，full width at half maximum的首字母缩写)为1nm，并且以531nm的波长为中心。所使用的源10为5mm通孔led，并且发射如下光谱：可以用具有517nm的波长峰值和在fwhm处具有30nm的光谱宽度的高斯曲线来近似，如图3a所示。
42.图3a是示出以w/w为单位测量的led源的归一化功率谱102随以thz为单位的所测量的频率101变化的曲线图。图3a的曲线图示出了在没有滤光器的情况下测量的功率谱，由实线103表示，以及参数化为高斯的功率谱，由虚线104表示。
43.fwhm 1nm选择带干涉滤光器20是可近似为以531nm的特定波长为中心的另一高斯曲线。
44.在图3c中示出干涉滤光器20对led源10的施用。图3c是示出以w/w为单位测量led源的归一化功率谱102随以thz为单位的测量的频率101变化的曲线图。图3c的曲线图示出了所测量的干涉滤光器20下游的功率谱，由实线103表示，以及由高斯描述的功率谱，由虚
线104表示。
45.有利地，干涉滤光器20允许在验证装置300的测量系统的时间分辨率间隔内提高源10的相干性。
46.可以使用以取决于所使用的非相干光源10的波长峰值的其他波长为中心的干涉滤光器。在该测试中有利地采用接近源10的波长峰值的值以有利地具有更好的统计数据，但是也可以根据需要和所使用的源来使用光谱的其他部分。干涉滤光器的选定fwhm 1nm间隔是为了有利地提高所使用的非相干且衰减的源10的量子纠缠的自由度的一阶相干性。可以使用取决于由所使用的非相干且衰减的源10发射的光子的波长的其他间隔。干涉滤光器20的宽度取决于测量系统的时间分辨率。
47.干涉滤光器20的特性是由将使用光子对单光子进行计数的系统的容量来确定的，即，由测量系统的响应时间来确定的。
48.可以提供替代的非相干且衰减的源10，例如在360与2400nm之间的全光谱卤素灯，该全光谱卤素灯已经被用于led源10的同一干涉滤光器20以531nm进行过滤。
49.生成不取决于电磁场的第二生成阶段220的输入状态是纯状态的相干叠加还是纯状态的统计混合。
50.由于源装置200单独地作用于单光子状态，因此由源装置200的第一生成阶段210生成的多个光子不会影响由第二生成阶段220生成的量子纠缠的单光子状态的生成。
51.此外，量子纠缠的单光子状态的生成不取决于由第一生成阶段210生成的光子的统计数据，因此它们可以由光子的非相干且衰减的源10诸如热源、可见光灯或led生成。
52.对源220产生量子纠缠的单光子状态进行验证的条件是保持单光子的两个状态的相干叠加，即，保持单光子的自由度之间的相干叠加。
53.有利地，单光子的自由度之间的量子纠缠发生在光子的相干、非相干和衰减的源10中，前提是在用于量子纠缠的自由度之间保持第一阶相干。
54.有利地，通过偏振滤光器和干涉滤光器20适当地过滤的非相干且衰减的源10允许产生具有“粒子内纠缠”的单光子的通量，这些单光子与由单光子源，诸如确定性单量子点源或由高功率laser诱发的非线性光学过程生成的“预报”光子源，生成的那些无法区分。
55.为了对所获得的光谱的相干性进行验证，使用图4中所示的装置100的设置，除了验证装置300的第一准备阶段310并且仅包括两个检测器85和86之外，该装置基本上是图1的装置。图4中所示的这种替代装置也可以用于测量光子的自动纠缠，即，用于对光子的相干的状态进行验证。
56.图3b示出了由图3a的源10生成的光子的自动纠缠光谱的曲线图，该图示出了任意单位的归一化信号105随以飞秒为单位的延迟时间106的变化。
57.图3d示出了由图3c的处于干涉滤光器20下游的源10生成的光子的自动纠缠光谱的曲线图，该图示出了任意单位的归一化信号105随以飞秒为单位的延迟时间106的变化。
58.归一化信号105是通过将源装置200的第一压电转换(translation)镜41移动20μm的总间隔以提供两个光学路径31和32之间的延迟时间来测量的。第一压电转换镜41安装有压电转换器，该压电转换器是被安装在转换器上的压电致动器。应该注意的是，图3d的经过滤的源10的光谱的过滤信号的振荡在20μm的间隔内没有显著降低，从而证明至少在量子纠缠状态的一阶处可以有利地保持相干性。
59.在本发明的所有实施方式示例中，状态的自由度是根据第一条件和根据第二条件选择的，根据该第一条件，对于每个自由度，只有一对值是可能的，而根据该第二条件，两个自由度之一的值并不确定另一自由度的值。
60.在纠缠状态对的生成阶段的输入处，有必要创建光子的定义状态。输入到纠缠状态对的生成阶段的光子的定义状态根据所使用的自由度而变化。
61.在上述和图1、图4、图5中描绘的实施方式示例中，其中第二元件212包括偏振器51，第一自由度是由第一元件211选择的方向并且第二自由度是由第二元件212选择的偏振。源10是衰减的laser，或与干涉滤光器20不相干的源。
62.下面讨论量子纠缠的单光子状态的第二生成阶段220的实施方式示例，其中量子纠缠的一对自由度是动量(路径)和偏振自由度。
63.在该实施方式示例中，单光子可以遵循例如在空气中或在两个波导内部的两个不同路径31、32。一旦单光子处理两个路径内，该两个路径不允许单光子从一个路径传输至另一路径，例如，两个波导必须被布置成间隔足够远以避免表现为耦合器(定向耦合器)，或者两个路径必须被布置成关于彼此正交，如图1所示。
64.更一般地，单光子包括自由度k或路径，其包括两个值：第一动量k1和第二动量k2，它们表示相对于被配置用于操作的装置的两个路径的两个传播矢量。
65.第一动量k1是沿图1中的水平方向的传播矢量，而第二动量k2是沿图1中的竖向方向的传播矢量。
66.单光子包括偏振自由度p，该偏振自由度p包括两个值：例如，相对于装置200被配置成于其上操作的几何平面的竖向偏振v和水平偏振h。替代可能性是考虑另一对正交偏振平面(
±
45
°
)。
67.传统上使用狄拉克形式主义或括号符号来描述量子状态：
68.表示光子的状态，包括第一动量k1和竖向偏振v，
69.表示光子的状态，包括第一动量k1和水平偏振h，
70.表示光子的状态，包括第二动量k2和竖向偏振v，
71.表示光子的状态，包括第二动量k2和水平偏振h，
72.此外，必须满足以下条件：
73.《v|h》＝0，
74.其中，表示正交偏振的条件，并且
75.《k1|k2》＝0
76.其中，表示独立路径的条件。
77.在本实施方式示例中，单光子的量子纠缠状态是动量(路径)和偏振，并且通常被表示为：
[0078][0079]
其中，k1和k2是动量，并且p1和p2是偏振，其中k1和k2代表第一动量k1或第二动量k2，并且其中p1和p2代表竖向偏振v和水平偏振h。
[0080]
在图1中，第一动量由水平路径31表示，而第二动量由竖向路径32表示。只要遵守第一条件和第二条件，就可以选择不同的路径。
[0081]
遵守第一条件和第二条件的自由度是作为第一自由度的方向和作为第二自由度的偏振。
[0082]
更一般地，通过在设置内，即，在装置200的操作配置内选择两个可能的路径，为动量定义双态基：hm＝{|k1》，|k2》}以及为偏振定义双态基：h
p
＝{|v》，|h》}。hm与第一量子位相关联，h
p
与第二量子位相关联。两个量子位的空间可以被表示为四维希尔伯特空间
[0083]
例如，第一阶段210包括：被布置在干涉滤光器20下游并收集由干涉滤光器20传输的光子的输入光纤30；以及，收集由输入光纤30传输的光子并且将这些光子准直地传输至第一生成阶段210的偏振器51的输入准直器37。
[0084]
有利地，输入光纤30和输入准直器37对离开干涉滤光器20的光子束进行准直以获得更好的统计数据。
[0085]
在图1所示的实施方式示例中，光子的第一生成阶段210包括格兰汤姆森型偏振器51(gtp，“glan-thomson polarizer”的首字母缩写)，该偏振器51选择偏振取向，例如由第一阶段210的源10传输的光子束的竖向偏振v。
[0086]
第二生成阶段220包括第一分束器61，该第一分束器61以相等的概率将离开偏振器51的光子引导朝向两个不同的光学路径：根据第一动量k1的水平路径31和根据第二动量k2的竖向路径32。
[0087]
第二生成阶段220包括第一压电转换镜41，该第一压电转换镜41被设置成阻截两个路径31、32中的一个并且控制两个路径31、32之间的相对的相位移ξ。在图1中，第一压电转换镜41被设置成阻截水平路径31。
[0088]
第二阶段优选地还包括第一镜71，该第一镜71被设置成阻截两个路径31、32中的一个。在图1中，第一镜71阻截竖向路径32并且反射竖向路径32的光子，从而改变它们的方向。由第一镜71的存在或由其他色散累积的相位移有利地通过第一压电转换镜41的移动来校正和补偿。
[0089]
然后将两个路径31、32引导朝向验证装置300的第二分束器62。
[0090]
第一分束器61和第二分束器62以及第一压电转换镜41和第一镜71形成所谓的马赫曾德干涉仪230。
[0091]
马赫曾德干涉仪230负责布洛克球体中量子位动量的旋转。
[0092]
第一分束器61、第二分束器62和第三分束器63是50/50型的，由此单光子以相等的概率在一个路径31、32与另一路径之间被引导。
[0093]
源装置200的第二阶段220包括第一半波板91和第二半波板92(首字母缩写hwp，half-wave plate)。每个半波板91、92旋转两个路径31、32之一的光子的偏振。
[0094]
第一半波板91被布置在第一分束器61与第一压电转换镜41之间的水平路径31上。第一半波板91在几何平面x-z上将光子的偏振旋转90六十进制度。
[0095]
第二半波板92被布置成：如果设置有第一镜71的话，位于第一镜71与第二分束器62之间的竖向路径32上；否则，位于第一分束器61与第二分束器62之间的竖向路径32上。第二半波板92在几何平面x-z上使光子的偏振旋转0六十进制度。
[0096]
源装置200的第二阶段220产生spe光子，该spe光子包括相对于彼此的量子纠缠的动量和偏振状态的自由度。
[0097]
装置300优选地包括第一准备阶段310，该第一准备阶段310包括第二分束器62，该第二分束器62收集由源装置200的第二阶段220生成的量子纠缠的单光子状态。
[0098]
第一准备阶段310包括第二马赫曾德尔干涉仪330，该第二马赫曾德尔干涉仪330包括第二压电转换镜42，优选地包括第二镜72和第三分束器63。第二压电转换镜42安装有第二压电转换镜。
[0099]
第二马赫曾德尔干涉仪330的第二分束器62将光子以相等的概率引导至彼此正交的两个不同路径上。第二马赫曾德尔干涉仪330的第三分束器63将光子以相等的概率引导至彼此正交的两个不同路径上。相应的半波板93、94被定位在这最后两个不同路径中的每一个路径上，该半波板在垂直于相应路径的几何平面x-z上使此动量的光子的偏振旋转预设的偏振角θ并且在0与希腊字母pi弧度之间。
[0100]
每个输出路径将光子引导至验证装置300的第二检测阶段320的另外的第二偏振分束器62
′
、62
″
上。这些偏振分束器根据光子的偏振状态来将光子引导至路径或另一路径上。
[0101]
为了检测单光子，验证装置300包括第二检测阶段320。第二检测阶段320包括多个固态光电检测器81至84，该固态光电检测器以光子计数模式操作并且被布置成形成阵列以对从第一准备阶段310到达的光子进行计数，即，以光子计数模式操作的固态光电检测器81至84的阵列。固态光电检测器阵列81至84的固态光电检测器81至84例如是单光子光电检测器二极管(spad，“单光子雪崩二极管，single photon avalanche diode”的首字母缩写)或超导纳米线器件。光电检测器阵列81至84对从阶段300中定义的不同路径到达的单光子进行计数。
[0102]
第二检测阶段320包括用于每个输出路径的输出准直器321至324和用于每个输出准直器321至324的输出光纤325至328。每个输出准直器321至324从第二分束器62
′
、62
″
的两个输出路径中的相应路径接收光子。每个输出光纤325至328将光子传输至相应的光电检测器81至84，使得借助于装置100的计算机400记录哪个光电检测器81至84已经检测到光子，其中计算机400包括：至少一个存储器401，以存储光电检测器81至84的计数；以及至少一个处理器402，适于处理被存储在至少一个存储器401中的光电检测器81至84的计数。
[0103]
为了测量单光子的量子状态的自由度的值，计算机400对由光电检测器阵列81至84的单个固态光电检测器检测到的单光子进行计数。
[0104]
然后计算机400按照贝尔不等式(bell’s inequality)的违例来评估量子纠缠，这是确定状态是否为量子纠缠的众所周知且普遍接受的测试，在这方面请参阅约翰
·
斯图尔特
·
贝尔(john stewart bell)的科学文章，“on the einstein podolsky rosen(epr)paradox(关于爱因斯坦波多尔斯基罗森(epr)悖论)”，1964年发表在《物理学》，第1卷，第195至200页(doi：10.1103/physicsphysiquefizika.1.195)。
[0105]
对贝尔不等式的违例保证了产生装置200产生处于量子纠缠的单光子状态，即“粒子内纠缠”。具体地，该测试验证了clauser-horne-shimony-holt不等式(chsh，由1969年的physical review letters(物理评论快报)23，880至884中“proposed experiment to test local hidden-variable theories(测试局部隐变量理论的建议实验)”一文的作者姓氏组成的首字母缩写)的违例。
[0106]
又替代性地，装置100可以通过其他元件来配置，以便通过使用例如现有技术的其
他方法，使用单光子的其他自由度来产生和检测量子纠缠的单光子状态。
[0107]
单光子纠缠状态的第二生成阶段220的替代方案提供了也可以将轨道角动量的自由度与动量的自由度或与偏振的自由度进行量化地纠缠。
[0108]
可以量化地纠缠单光子的其他自由度，诸如单光子的光学路径，下面将其作为单光子纠缠生成阶段200的另外的实施方式示例进行讨论。
[0109]
图2a和图2b中所示的另外的实施方式示例涉及替代生成阶段200并且涉及单光子的光学路径的两个自由度之间的量子纠缠。图2a代表第一生成阶段210并且图2b代表第二生成阶段220。在生成阶段200的这个另外的替代实施方式示例中，单光子可以在相应的四个波导33至36内遵循四个不同的光学路径。一旦单光子处于四个波导33至36内部，该四个波导不允许单光子从一个波导传输至其他波导，例如波导33至36必须被布置得足够远以避免表现为耦合器或分束器。在这种情况下，状态的希尔伯特空间c4由表示两个自由度的四个状态的四个正交矢量定义，其中矢量的正交性表示不允许单光子从一个波导33至36传输至其他波导的条件。
[0110]
替代性地，波导33至36可以是光纤。
[0111]
四个波导33至36代表四个光学路径，这四个光学路径在该实施方式示例中被布置成彼此平行并且位于水平几何平面上。平行于四个波导的几何线(我们将称为中心线)被用作参考，并且可以通过以下方式识别四个波导：高于中心线的第一波导33、高于中心线的第二波导34、低于几何线的第三波导35、低于中心线的第四波导36。第一顶部引导件33远离中心线。第二顶部引导件34靠近中心线。第一底部引导件35靠近中心线，第二底部引导件36远离中心线。插入到波导中的单光子的一对状态的自由度对于第一状态而言是两个：顶部t和底部b，并且对于第二状态而言是两个：靠近n和远离f，其中顶部、底部、靠近和远离是指四个波导33至36相对于本示例的几何平面上的中心线的几何布置。
[0112]
为了确定光学路径，为两个自由度分配值，确定状态的空间中的正交基：
[0113]
表示通过第一波导33从左到右传输的光子的状态：顶部和远离，
[0114]
表示通过第二波导34从左到右传输的光子的状态：顶部和靠近，
[0115]
表示通过第三波导35从左到右传输的光子的状态：底部和靠近，
[0116]
表示通过第四波导36从左到右传输的光子的状态：顶部和远离。
[0117]
第一生成阶段210的第一元件211包括源10，该源10可以是非相干的并且还包括干涉滤光器20，或没有干涉滤光器20的衰减的laser。
[0118]
由源10发射的光子耦合至四个波导33至36之一，因此确定光子的初始状态。
[0119]
在这个意义上，四个波导33至36代表第一生成阶段210的第一元件211和第二元件212，因为四个波导33至36选择单光子的两个自由度的第一自由度和第二自由度两者，其中所述第一自由度包括单对值，并且所述第二自由度包括单对值。
[0120]
第二生成阶段220通过专用光学路径实现。例如，通过布置耦合器(直接耦合器)或50/50分束器61，该分束器适于将来自第一引导件33的单光子以相等的概率引导至第一顶部引导件33和第二顶部引导件34，在分束器61的下游，最初插入引导件33中的单光子的状态，即，处于状态变为：
[0121]
如图2b所示，通过在分束器61的下游引入引导件34与引导件35之间的位置交换器45，可以在第二生成阶段220的输出处产生量子纠缠的单光子最终状态以这种方式，在右侧的引导件的输出处的状态将是量子纠缠的
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当在左侧的输入处时，光子处于状态
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即，它进入引导件33。在该替代方案中，第二生成阶段220包括如上所述布置的分束器61和位置交换器45。
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替代性地，可以选择任何引导件33至36作为输入波导。在该替代方案中，需要将分束器61和位置交换器45适当地布置在第二生成阶段220中。
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更一般地且又替代性地，可以提供的是，所述第一生成阶段210的第一元件211和第二元件212包括四个波导33至36，这四个波导33至36根据几何配置相对于彼此布置，该几何配置适于允许识别相对于彼此的几何相关性，以这样的方式，使得这种识别允许为单光子的所述两个自由度的两个自由度分配值，从而确定为希尔伯特空间c4的状态空间中的正交基。
[0127]
替代性地，可以用其他可观察量替换位置自由度，前提是遵守上述第一条件和第二条件，例如可以用波导中的单光子的一对传输模式替换靠近n和远离f自由度对，因为甚至不需要四个光学路径，但是具有四个正交状态的希尔伯特空间是足够的。从在第一生成阶段210中生成的定义输入状态开始，根据第一实施方式示例或第二实施方式示例的第二生成阶段220中描述的过程，足以实现单光子的两个自由度的相干叠加。在该替代方案中，第一生成阶段210的第一元件211和第二元件212包括两个多模波导，并且实现单光子状态的量子纠缠的自由度是波导中的光子的传播位置和模式。在该替代方案中，两个多模波导以几何配置相对于彼此布置，该几何配置适于允许识别相对于彼此的几何相关性，以这种方式，使得这种识别允许将值分配给单光子的所述两个自由度中的第一自由度。第二自由度的值是通过所述两个多模波导的每个多模波导中的单光子的一对传输模式来定义的。有利地，该替代方案对于使装置100小型化是特别有用的。
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又替代性地，可以选择遵守第一条件和第二条件的光子的一对状态的两对自由度，并且代替光学路径之间的位置交换器和分束器，使用等效的分束器和等效的时间延迟系统。
[0129]
替代性地，可以选择遵守第一条件和第二条件的两个自由度能量和时间，其中第一自由度的值是由干涉滤光器20定义的，以选择能量，并且第二自由度的值是由光学延迟线建立的时间延迟定义的，其中光学延迟线包括电子计时电路，诸如，例如触发器，其定义从光子进入第二生成阶段220的时刻开始的时间轴。
[0130]
替代性地，如图7所示，可以选择遵守第一条件和第二条件的两个自由度偏振和角动量，其中第一自由度是偏振，并且第二自由度是借助于q板限定的。
[0131]
替代性地，如图6所示，可以选择遵守第一条件和第二条件的两个自由度动量和角动量，其中第一自由度是方向，并且第二自由度是借助于q板52限定的。
[0132]
q板是光学器件，该光学器件产生具有所定义的轨道角动量的光子，该轨道角动量
classical correlation with initial werner state”，quantum information processing(量子信息处理)15,791-807(2016)。
[0146]
有利地，装置的小型化、低消耗和低重量允许其应用于航空电子设备、航天、汽车和运输车辆工业、物联网(首字母缩写iot，internet of things)、消费电子产品、以及必须安全传输数据的所有应用领域。
[0147]
替代性地，可以提供源装置200的第二阶段220不包括第一镜71，因为压缩光子的光学路径31、32不是严格必要的。
[0148]
有利地，源装置200和验证装置300的处置光子的、在光纤之外的所有元件被保存在暗箱中以避免外部干扰。
[0149]
如此构思的本发明易于进行许多修改和变体，所有这些都落入相同的发明概念内；此外，所有细节都可以用等效的技术元素代替。在实践中，所使用的材料及其尺寸可以根据技术要求为任何类型。