一种制备三粒子超纠缠的方法

1.本发明属于量子通信技术领域，具体是涉及一种制备三粒子超纠缠的方法。


背景技术：

2.量子纠缠是用于量子信息处理的有效资源，在近几十年里，量子纠缠已经在量子通信和量子计算中得到广泛应用，例如量子密码学、密集编码、量子隐形传态以及量子密钥分发等等。
3.由于光子的易操控、传播速度快等优点，光子在量子通信中被人们广泛使用，而且人们可以利用光子的多个自由度(dof)来编码量子纠缠，包括偏振、空间路径、轨道角动量、时间片段和频率等。这些dof中的编码信息彼此独立，同时也可以在多个dof上产生纠缠，称为超纠缠。超纠缠光子对可以携带更多的信息，从而在高容量量子通信中具有重要的应用。1995年，kwiat等利用自发参量下转换方法首次在实验上实现了两光子偏振纠缠bell态的成功制备，随后的几年里，三光子以及多光子纠缠态的制备方案被pan等人相继提出，但其是仅在光子的一个自由度上进行编码，如偏振自由度，水平偏振|h》和垂直偏振|v》，在实际通信中，若要想增加信道的容量，需要在光子的不同自由度上同时编码。
4.目前，最容易实现和操控的纠缠源来自非线性光学晶体中的自发参量下转换过程。在自发参量下转换过程中，来自强泵浦激光器(p)的光子会自发地劈裂为两个子光子，通常称为信号(s)光子和闲置(i)光子，可以通过对其进行调整以产生纠缠光子对。
5.量子纠缠是许多量子通信协议必需的资源，所以纠缠光子源是量子通信领域非常重要的资源。随着量子通信技术的不断发展，许多高维多方量子通信协议的提出，使得多光子超纠缠源成为实现未来高维、多方量子通信的前提。在目前的研究中，对两光子单个dof以及两个dof的纠缠源的研究较为常见，而尚未出现对多光子超纠缠源的研究。


技术实现要素：

6.基于上述问题，本发明提出了一种制备三光子超纠缠态的方法，采用级联的萨尼亚克干涉环，在光子的偏振和空间(路径)自由度上进行编码，产生三光子的超纠缠态；所述方法在未来的高维、多方量子通信中，如多方的量子秘密共享，多方量子安全直接通信等有着重要的作用。
7.本发明提供一种制备三粒子超纠缠的方法，包括如下步骤：
8.步骤1、激光器产生一束水平偏振的泵浦光，通过一预设角度为22.5度的半波片i即hwp1，转化为对角偏振光；
9.步骤2、光子通过一50∶50的非偏振分束器即npbs分束到路径a与路径b，即两个不同的空间模式；
10.步骤3、路径a和路径b的光子分别通过二向色镜i即dm1、二向色镜ii即dm2后，再经过偏振分束器i即pbs1进入第一萨尼亚克干涉仪，经过自发参量下转换过程产生双光子态，即下转换光子；
11.步骤4、从两个传播方向发出的下转换光子通过偏振分束器i即pbs1，被分束到不同的空间模式a1、a2、b1和b2，由此产生偏振、空间两个自由度的两光子超纠缠态；
12.步骤5、再将路径a1和路径b1的光子分别通过二向色镜iii即dm3、二向色镜iv即dm4后，再经过偏振分束器ii即pbs2，进入第二萨尼亚克干涉仪产生下转换光子；
13.步骤6、从第二萨尼亚克干涉仪两个传播方向发出的下转换光子在pbs2上叠加，由此产生偏振、空间两个自由度的三光子超纠缠态。
14.进一步的，所述步骤1中，激光器产生的泵浦光为水平偏振光|h》m，通过一预设角度为22.5度的hwp1后变为其中，预设角度为22.5度的hwp1的作用为：
[0015][0016][0017]
其中，|h》为水平偏振光，|v》为垂直偏振光。
[0018]
进一步的，所述步骤2中，光子通过50∶50的npbs后分束到不同的路径a与路径b，即
[0019][0020]
进一步的，所述步骤3中，路径a和路径b的光子依次通过dm1、dm2和pbs1进入萨尼亚克干涉仪，通过顺时针或者逆时针传播，经过一个周期性极化的磷酸钛钾晶体i即ppktp1劈裂产生双光子态，再经过一个预设角度为45度的半波片ii即hwp2，其作用为：
[0021]
|h》
→
|v》，|v》
→
|h》。
[0022]
步骤3中，光子经过萨尼亚克干涉仪后变为：
[0023]
|h》a→
|h》
a4
→
|h》
a4
|v》
a4
→
|v》
a3
|h》
a3
，
[0024]
|v》a→
|v》
a3
→
|h》
a3
→
|h》
a4
|v》
a4
，
[0025]
|h》b→
|h》
b4
→
|h》
b4
|v》
b4
→
|v》
b3
|h》
b3
，
[0026]
|v》b→
|v》
b3
→
|h》
b3
→
|h》
b4
|v》
b4
。
[0027]
进一步的，所述步骤4中，从顺时针或逆时针两个传播方向的下转换光子通过pbs1，被分束到不同的空间模式a1、a2、b1和b2，即：
[0028][0029]
由此产生偏振、空间两个自由度的两光子超纠缠态。
[0030]
进一步的，所述步骤5中，将路径a1和路径b1的光子由dm3、dm4和pbs2进入萨尼亚克干涉仪产生下转换光子；其中，萨尼亚克干涉仪中的半波片iii即hwp3预设角度为45度；路径a1和路径b1的光子分别经过dm3、dm4，再经过pbs2后，总光子态变为：
[0031][0032]
各路径光子经过周期性极化的磷酸钛钾晶体ii即ppktp2和hwp3后分别为：
[0033]
|h》
a6
→
|h》
a6
|v》
a6
→
|v》
a5
|h》
a5
，
[0034]
|v》
a5
→
|h》
a6
→
|h》
a6
|v》
a6
，
[0035]
|h》
b6
→
|h》
b6
|v》
b6
→
|v》
b5
|h》
b5
，
[0036]
|v》
b5
→
|h》
b6
→
|h》
b6
|v》
b6
，
[0037]
步骤5中，光子经过萨尼亚克干涉仪后总光子态变为：
[0038][0039]
进一步的，所述步骤6中从两个传播方向发出的下转换光子叠加在pbs2上，变为：
[0040][0041]
由此产生偏振、空间两个自由度的三光子超纠缠态。
[0042]
本发明所述的有益效果为：本发明通过利用一系列线性光学器件以及光子在非线性晶体中发生的自发参量下转换，能够制备出偏振、空间两个自由度的三光子超纠缠态。多光子使得本发明所述的方法能够在多方量子通信中得到应用，超纠缠能够提升通信过程中的信道容量，与现有技术中使用bbo晶体制备多光子超纠缠态相比，本发明所述的方法采用周期极化ppktp可以弥补bbo晶体产生纠缠存在的“走离效应”，在相同的功率下产生的纠缠源亮度高，转换效率更高。另外，本发明采用萨尼亚克干涉环，其三角环状结构比较稳定，通过级联两个萨尼亚克干涉环就能产生三粒子超纠缠态，结构相对简单，易于实现。本发明所述的方法将在未来的高维、多方量子通信中有重要的应用。
附图说明
[0043]
图1为本发明方法的流程图；
[0044]
图2为本发明方法的原理示意图；
[0045]
其中，1-激光器，2-半波片i，3-半波片ii，4-半波片iii，5-二向色镜i，6-二向色镜ii，7-二向色镜iii，8-二向色镜iv，9-偏振分束器i，10-偏振分束器ii，11-第一萨尼亚克干涉仪，12-第二萨尼亚克干涉仪，13-周期性极化的磷酸钛钾晶体i，14-周期性极化的磷酸钛钾晶体ii，15-非偏振分束器。
具体实施方式
[0046]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
如图1所示，本发明所述的一种制备三粒子超纠缠的方法，包括如下步骤：
[0048]
步骤1：激光器1产生的泵浦光为水平偏振光|h》m，通过一预设角度为22.5度的半
波片i2(hwp1)后其量子态变为预设角度为22.5度的hwp1的作用为：
[0049][0050][0051]
其中，|h》为水平偏振光，|v》为垂直偏振光。
[0052]
步骤2：如图2所示，图2中m，n，a，b，ai(i＝1～6)，bi(i＝1～6)，c1，c2，d1，d2均为空间标识，描述光子走过的路径。
[0053]
光子通过一50∶50的非偏振分束器15(npbs)分为不同的路径a与b两个不同的空间模式，光子的状态变为
[0054][0055]
步骤3：a、b路径的光子再通过二向色镜i5(dm1)、二向色镜ii6(dm2)和偏振分束器i9(pbs1)进入第一萨尼亚克干涉仪11，顺时针或者逆时针传播，经过周期性极化的磷酸钛钾晶体i13(ppktp1)和一个预设角度为45度的半波片ii3(hwp2)产生双光子态；第一萨尼亚克干涉仪11中的hwp2的作用为：
[0056]
|h》
→
|v》，|v》
→
|h》。
[0057]
步骤3中光子经过第一萨尼亚克干涉仪11后变为：
[0058]
|h》a→
|h》
a4
→
|h》
a4
|v》
a4
→
|v》
a3
|h》
a3
，
[0059]
|v》a→
|v》
a3
→
|h》
a3
→
|h》
a4
|v》
a4
，
[0060]
|h》b→
|h》
b4
→
|h》
b4
|v》
b4
→
|v》
b3
|h》
b3
，
[0061]
|v》b→
|v》
b3
→
|h》
b3
→
|h》
b4
|v》
b4
。
[0062]
其中，自发参量下转换过程是指一束泵浦光照射在一块非线性晶体上(如ppktp晶体)会自发的劈裂成两束光，即信号(s)光和闲置(i)光；原本的光子成为泵浦光子。按照能量守恒定律和动量守恒定律，光子对的总能量与总动量等于泵浦光子的能量与动量；根据对晶体不同的切割方式，会有不同的匹配角，所以s光和i光会沿着特定的方向产生。这样的两个光子可以认为是同时产生，可以利用符合仪进行测量。
[0063]
dm为二向色镜，可以将下转换后的信号光子和闲置光子从泵浦光束中分离出来。
[0064]
步骤4：使从两个传播方向发出的下转换光子在pbs1上叠加，出射光子被确定地分为不同的空间模式a1、a2、b1和b2，由此产生偏振、空间两个自由度的两粒子超纠缠光子对：
[0065][0066]
步骤5：再将a1和b1两路径的光子由二向色镜iii7(dm3)、二向色镜iv8(dm4)和偏振分束器ii10(pbs2)进入第二萨尼亚克干涉仪12产生下转换光子；其中，第二萨尼亚克干涉
仪12中的半波片iii4(hwp3)预设角度为45度；a1和b1两路径的光子经过dm3、dm4和pbs2后变为：
[0067][0068]
各路径光子经过周期性极化的磷酸钛钾晶体ii14(ppktp2)和hwp3后分别为：
[0069]
|h》
a6
→
|h》
a6
|v》
a6
→
|v》
a5
|h》
a5
，
[0070]
|v》
a5
→
|h》
a6
→
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a6
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a6
，
[0071]
|h》
b6
→
|h》
b6
|v》
b6
→
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b5
，
[0072]
|v》
b5
→
|h》
b6
→
|h》
b6
|v》
b6
，
[0073]
光子经过萨尼亚克干涉仪后量子态变为：
[0074][0075]
步骤6：从两个传播方向发出的下转换光子在pbs2上叠加，由此产生偏振、空间两个自由度的三光子超纠缠态：
[0076][0077]
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。