一种产生多光子GHZ纠缠态的装置 |
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申请号 | CN202310426877.6 | 申请日 | 2023-04-20 | 公开(公告)号 | CN116149110B | 公开(公告)日 | 2023-08-29 |
申请人 | 中国科学技术大学; | 发明人 | 霍永恒; 刘润泽; 潘建伟; | ||||
摘要 | 一种产生多 光子 GHZ纠缠态的装置,包括:量子纠缠源,适用于基于三能级系统的级联跃迁按时序依次产生第一 纠缠光子 对和多个第二纠缠光子对,第一光 开关 适用于使上述第一纠缠光子对进入第一路径以及使多个第二纠缠光子对进入第二路径,第二光开关,适用于使来自于上述第一路径的第一纠缠光子对进入第三路径;干涉偏振分束器适用于使经上述第三路径传输的第一纠缠光子对依次与上述多个第二纠缠光子对发生干涉。 | ||||||
权利要求 | 1.一种产生多光子GHZ纠缠态的装置,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 一种产生多光子GHZ纠缠态的装置技术领域[0001] 本发明涉及量子信息科学领域,特别涉及一种产生多光子GHZ纠缠态的装置。 背景技术[0002] 量子信息技术的发展在高性能计算领域和保密通信领域有着深远的影响。最近,基于两粒子纠缠的贝尔不等式的研究工作获得了2022年诺贝尔物理学奖。量子纠缠描述了多粒子系统是一个整体的量子态,而非独立粒子之间的经典混合。GHZ纠缠态作为光量子技术的核心资源,可以作为光学量子计算的初始资源,再利用光学线路和光子探测器便可以实现通用型量子计算。同时,GHZ纠缠态被用于实现基于纠缠光子对的量子通信协议,例如E91协议,并在近期用于实现基于贝尔不等式的设备无关(Device Independent, DI)量子保密通信。另外,GHZ纠缠态也在量子精密测量中有着广泛的应用,例如利用多光子GHZ纠缠态可以在相位测量中实现超越经典极限的海森堡极限精度。 [0003] 相关技术中产生多光子GHZ态的方法主要是通过多个自发参量下转换(SPDC)过程产生的单对纠缠光子对经过干涉再进行后选择产生。这种产生多光子GHZ态的方案有两个显著的缺点,第一,由于这种方法使用的SPDC光源产生过程是高斯操作,因此单次产生多个纠缠光子对的概率较高,得到的多光子GHZ态的保真度随着产生光子数的增加会显著下降,同时因为概率性的过程,产生多光子GHZ态的效率也较低。第二,这种方法产生多光子GHZ态的过程中需要大量的光学器件(特别是用于干涉的偏振分束器),因此经常需要很大的光学实验平台用于搭建复杂的光路。 发明内容[0004] 鉴于上述技术问题,本发明提供了一种产生多光子GHZ纠缠态的装置,能够确定性产生多光子GHZ纠缠态。 [0005] 为了实现上述目的,作为本发明的一个方面,提供了一种产生多光子GHZ纠缠态的装置,包括: [0006] 量子纠缠源,适用于基于三能级系统的级联跃迁按时序依次产生第一纠缠光子对和多个第二纠缠光子对; [0008] 第二光开关,适用于使来自于上述第一路径的第一纠缠光子对进入第三路径; [0009] 干涉偏振分束器,适用于使经上述第三路径传输的第一纠缠光子对依次与上述多个第二纠缠光子对发生干涉; [0010] 其中,在每次干涉发生后,上述干涉偏振分束器输出具有GHZ纠缠态的第一路光子对和具有GHZ纠缠态的第二路光子对,上述第一路光子对沿着第四路径进入上述第二光开关,上述第四路径与上述第三路径组成环路,自上述第二光开关输出的上述第一路光子对沿上述环路再次进入上述干涉偏振分束器以发生下一次干涉,发生至少一次干涉后,将每次干涉后由上述干涉偏振分束器输出的第二路光子对作为多光子GHZ纠缠态的光子对。 [0011] 根据本发明的实施例,在上述第三路径上还设置有光纤保偏可调延时环,上述光纤保偏可调延时环包括: [0012] 光纤,适用于传输自上述第二光开关输出的光子对; [0013] 延时控制器,适用于控制经上述光纤传播的光子对的传输时间,以使经上述第三路径传输至上述干涉偏振分束器的光子对和经上述第二路径传输至上述干涉偏振分束器的光子对发生干涉; [0014] 偏振控制器,适用于使自上述第二光开关输出的光子对在进入上述光纤和离开上述光纤时的偏振状态相同。 [0015] 根据本发明的实施例,上述光纤保偏可调延时环还包括: [0016] 第一光纤耦合器,适用于将来自上述第二光开关的光子对耦合至上述光纤; [0017] 第二光纤耦合器,适用于将来自上述光纤的光子对输出; [0018] 根据本发明的实施例,上述装置还包括: [0019] 测量系统,包括: [0020] 预报探测器,适用于对上述第二光开关最后一次输出的第一路光子对的偏振状态进行探测; [0021] 偏振测量组件,适用于确定第二路光子对在不同基矢下的偏振状态; [0022] 单光子探测器,适用于对第二路光子对的个数进行探测; [0023] 时间数字转换器,适用于确定第一路光子对到达上述单光子探测器的时刻。 [0024] 根据本发明的实施例,在上述第一路径上设置有两个反射方向不同的反射镜,两个上述反射镜适用于依次对上述第一纠缠光子对进行反射,以使上述第一纠缠光子对进入上述第二光开关。 [0025] 根据本发明的实施例,第一光开关被配置为在高电平状态的情况下,使得上述第一纠缠光子对进入上述第一路径,以及被配置为在低电平状态的情况下,使得上述多个第二纠缠光子依次进入上述第二路径。 [0026] 根据本发明的实施例,第二光开关被配置为高电平状态的情况下,使上述第一路径的第一纠缠光子对通过上述第二光开关进入上述第三路径;以及使第一路光子对输入至预报探测器; [0027] 第二光开关被配置为低电平状态的情况下,使第一路光子对经上述第二光开关进入上述第三路径。 [0029] 根据本发明的实施例,上述III‑V族半导体包括为GaAs/AlGaAs量子点体系。 [0030] 根据本发明的实施例,上述第一光开关和上述第二光开关为声光调制器。 [0031] 根据本发明的实施例,由于使用了量子纠缠源,其产生纠缠光子对的过程是由跃迁定则决定的,其产生纠缠光子对的效率可以接近于100%,而传统的利用SPDC光源的方式产生纠缠光子对概率约为10%。因此,相对于传统的利用SPDC光源的方式本发明实施例中的量子纠缠源极大的提高了产生纠缠光子对的概率,拓展性上也显著提高。 [0032] 根据本发明的实施例,通过设置第一光开关和第二光开光来调整按时序依次产生第一纠缠光子对和多个第二纠缠光子对的传输路径,并通过干涉偏振分束器,使得按时序依次产生第一纠缠光子对和多个第二纠缠光子对之间依次发生干涉,最终得到多光子GHZ纠缠态。 [0034] 图1示出了根据本发明实施例提供的产生多光子GHZ纠缠态的装置的原理图; [0036] 附图标记说明: [0037] 1、量子纠缠源; [0038] 2、第一光开关; [0039] 3、第二光开关; [0040] 4、干涉偏振分束器; [0041] 5、光纤保偏可调延时环; [0042] 51、光纤; [0043] 52、延时控制器; [0044] 53、偏振控制器; [0045] 54、第一光纤耦合器; [0046] 55、第二光纤耦合器; [0047] 6、测量系统; [0048] 61、预报探测器; [0049] 62、偏振测量组件; [0050] 63、单光子探测器; [0051] 64、时间数字转换器; [0052] 7、第一反射镜; [0053] 8、第二反射镜。 具体实施方式[0054] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。 [0055] 图1示出了根据本发明实施例提供的产生多光子GHZ纠缠态的装置的原理图。 [0056] 如图1所示,产生多光子GHZ纠缠态的装置包括:量子纠缠源1、第一光开关2、第二光开关3、和干涉偏振分束器4。 [0057] 量子纠缠源1,适用于基于三能级系统的级联跃迁按时序依次产生第一纠缠光子对和多个第二纠缠光子对。第一光开关2适用于使上述第一纠缠光子对进入第一路径以及使多个第二纠缠光子对进入第二路径。第二光开关3适用于使来自于上述第一路径的第一纠缠光子对进入第三路径。干涉偏振分束器4适用于使经上述第三路径传输的第一纠缠光子对依次与上述多个第二纠缠光子对发生干涉。 [0058] 其中,在每次干涉发生后,上述干涉偏振分束器4输出具有GHZ纠缠态的第一路光子对和具有GHZ纠缠态的第二路光子对,上述第一路光子对沿着第四路径进入上述第二光开关3,上述第四路径与上述第三路径组成环路,自上述第二光开关3输出的上述第一路光子对沿上述环路再次进入上述干涉偏振分束器4以发生下一次干涉,发生至少一次干涉后,将每次干涉后由上述干涉偏振分束器4输出的第二路光子对作为多光子GHZ纠缠态的光子对。 [0059] 根据本发明的实施例,通过设置第一光开关2和第二光开光3来调整按时序依次产生第一纠缠光子对和多个第二纠缠光子对的传输路径,并通过干涉偏振分束器4,使得按时序依次产生第一纠缠光子对和多个第二纠缠光子对之间依次发生干涉,最终得到多光子GHZ纠缠态。 [0060] 根据本发明的实施例,由于使用了量子纠缠源1,其产生纠缠光子对的过程是由跃迁定则决定的,其产生纠缠光子对的效率可以接近于100%,而传统的利用SPDC光源的方式产生纠缠光子对概率约为10%。因此,相对于传统的利用SPDC光源的方式本发明实施例中的量子纠缠源1极大的提高了产生纠缠光子对的概率,其在可拓展性上也显著提高。 [0061] 根据本发明的实施例,通过使用量子纠缠源1,能够单次产生一个纠缠光子对,从而使得到的多光子GHZ纠缠态的保真度较高,进而使得产生多光子GHZ纠缠态的效率也较高。 [0062] 根据本发明的实施例,只需要提供一个量子纠缠源1,即本发明实施例中需要的光源数量为一个,而传统的利用SPDC光源的方式需要的光源数量为n/2个(n为最终多光子GHZ态的光子数),同时本发明中需要的偏振分束器等光学元件的数量是固定的(例如仅需要一个偏振分束器用于干涉),而SPDC方案中需要的光学元件的数量约为n/2个。综上,基于本发明的内容,我们可以产生高效率,高保真度的偏振GHZ纠缠态,并极大缩减了所需要的实验器件(包括光源和光路)的规模,从而可以广泛应用于量子信息科学研究中。 [0063] 根据本发明的实施例,在上述第三路径上还设置有光纤保偏可调延时环5,上述光纤保偏可调延时环5包括:光纤51、延时控制器52、偏振控制器53。 [0064] 光纤51适用于传输自上述第二光开关3输出的光子对。延时控制器52适用于控制经上述光纤51传播的光子对的传输时间,以使经上述第三路径传输至上述干涉偏振分束器4的光子对和经上述第二路径传输至上述干涉偏振分束器4的光子对发生干涉。偏振控制器 53适用于使自上述第二光开关3输出的光子对在进入上述光纤51和离开上述光纤51时的偏振状态相同。 [0065] 根据本发明的实施例,利用具有确定性特征的量子纠缠源1产生的纠缠光子对通过第一光开关2分别在两条独立的路径中传输,通过合适的光纤保偏可调延时环5使得前后两对纠缠光子对可以在偏振分束器4上进行干涉,从而产生多光子GHZ态。通过此方法产生的多光子GHZ态具有高效率、高保真度的性质,并极大缩减了所需要的实验器件(包括光源和光路)的规模。 [0066] 根据本发明的实施例,上述光纤保偏可调延时环5还包括:第一光纤耦合器54和第二光纤耦合器55。 [0067] 第一光纤耦合器54适用于将来自上述第二光开关3的光子对耦合至上述光纤。第二光纤耦合器55适用于将来自上述光纤51的光子对输出。 [0068] 根据本发明的实施例,上述装置还包括:测量系统6。测量系统6包括:预报探测器61、偏振测量组件62、单光子探测器63和时间数字转换器64。预报探测器61适用于对上述第二光开关3最后一次输出的第一路光子对的偏振状态进行探测。偏振测量组件62适用于确定第二路光子对在不同基矢下的偏振状态。单光子探测器63适用于对第二路光子对的个数进行探测。时间数字转换器64适用于确定第一路光子对到达上述单光子探测器63的时刻。 [0069] 根据本发明的实施例,在上述第一路径上设置有两个反射方向不同的反射镜,即第一反射镜7和第二反射镜8。上述两个反射镜适用于依次对上述第一纠缠光子对进行反射,以使上述第一纠缠光子对进入上述第二光开关3。 [0070] 根据本发明的实施例,第一光开关2被配置为在高电平状态的情况下,使得上述第一纠缠光子对进入上述第一路径,以及被配置为在低电平状态的情况下,使得上述多个第二纠缠光子依次进入上述第二路径。 [0071] 根据本发明的实施例,第二光开关3被配置为高电平状态的情况下,使上述第一路径的第一纠缠光子对通过上述第二光开关3进入上述第三路径,以及使第一路光子对输入至预报探测61。 [0072] 根据本发明的实施例,第二光开关3被配置为低电平状态的情况下,使第一路光子对经上述第二光开关3进入上述第三路径。 [0073] 根据本发明的实施例,上述三能级系统的材料为III‑V族半导体、色心以及二维材料缺陷中的一种。 [0074] 根据本发明的实施例,上述III‑V族半导体包括为GaAs/AlGaAs量子点体系。 [0075] 根据本发明的实施例,上述第一光开关2和上述第二光开关3为声光调制器。 [0076] 以下列举具体实施例对产生多光子GHZ纠缠态的过程加以说明。产生上述多光子GHZ纠缠态的过程是基于本发明实施例提供的产生多光子GHZ纠缠态的装置实现的。 [0077] 确定性量子纠缠源以间隔时间为T的周期依次产生纠缠光子对,以某时刻为0时刻,第一纠缠光子对被第一光开关2导引至第一路径,在第一路径中,依次经过第一反射镜7和第二反射镜8,之后通过第二光开关3进入光纤保偏可调延时环5中,然后和第一个第二纠缠光子对在干涉偏振分束器4上进行干涉(第一纠缠光子对和第一个第二纠缠光子对分别自干涉偏振分束器4下侧和左侧的两个输入端口输入),干涉之后干涉偏振分束器4输出两路光子对。第一路光子对经第二光开关3进入光纤保偏可调延时环5中,等待和第二个第二纠缠光子对进行干涉,另外一路光子对依次进入测量系统6的偏振测量组件62和单光子探测器63。经过(n+1)T时间,将干涉后第二光开关3最后一次输出的第一路光子对的两个光子引导至预报探测器61,利用预报探测器61探测到的第二光开关3最后一次输出的一对光子作为预报,即可得到2n光子GHZ态,n>2。 [0078] 以下对上述过程进行详细阐述。 [0079] 为了确保量子纠缠源1是确定性产生的,该量子纠缠源1需要具有三能级结构,产生纠缠光子对的过程为级联跃迁。优选地,这里选用的体系为GaAs/AlGaAs量子点体系,通过脉冲激光(脉冲间隔为T)实现双光子共振激发,该量子点可以确定性地产生一对偏振纠缠的光子对,该光子对的偏振状态可以表示为式(1)。 [0080] (1) [0081] 其中, 表示水平偏振模式、 表示竖直偏振模式,e和b分别为一对光子对中的两个光子的标示。 [0082] 第一光开关2用于将不同时刻的由量子纠缠源1产生的纠缠光子对导引至不同路径,即第一路径和第二路径。 [0083] 图2示出了根据本发明实施例提供的第一光开关和第二光开关的信号随时间的变化。 [0084] 如图2所示,在0T‑1T时间内,第一光开关2保持在高电平状态,从而使得第一纠缠光子对通过第一路径,在1T‑(n+1)T时间内,第一光开关2保持在低电平状态,从而使得多个第二纠缠光子对通过第二路径。优选地,这里的第一光开关2可以使用声光调制器(Acoustic Optical Modulator, AOM)。 [0085] 第一反射镜7和第二反射镜8组成的反射镜组用于对位于第一路径内的第一纠缠光子对进行路径自由度上的调节,以使第一纠缠光子对以特定入射角度入射至第二光开关3。优选地,该反射镜组可以通过两块镀有介质反射膜并安装于两轴调整架的镜组构成。 [0086] 第二光开关3将不同时刻的由量子纠缠源1产生的第一位于路径和第二路径上的纠缠光子对进行路径自由度上的合并,且合并后各纠缠光子对保持相对的延时差。具体而言,根据图2中第二光开关3的信号示意图可知,在0T‑1T时间内,第二光开关3保持在高电平状态,从而使得通过第一路径的第一纠缠光子对进入光纤保偏可调延时环5;在1T至(n+1)T时间内,第二光开关3保持在低电平状态,从而使得通过第二路径并经过干涉偏振分束器4的纠缠光子对进入的光纤保偏可调延时环5;在(n+1)T时刻之后,第二光开关3保持在高电平状态,从而使得通过第二路径并经过的干涉偏振分束器4的纠缠光子对进入测量系统6的预报探测器61。优选地,这里的第二光开关3可以使用声光调制器(Acoustic Optical Modulator, AOM)。 [0087] 光纤保偏可调延时环5用于对光子对进行确定性延时操作,以使得前一时刻的光子对和后一时刻的光子对可以同时到达的干涉偏振分束器4进行干涉。这里的保偏指的是光子对在进入光纤延时环的偏振和离开光纤延时环的偏振是完全相同的。优选地,保偏可以通过三桨偏振控制器实现,该偏振控制器拥有三个桨叶,分别起到1/4波片,1/2波片和1/4波片的作用,从而实现任意偏振旋转的补偿。在实验前,可以通过在光纤保偏可调延时环5输入端口和输出端口处放置起偏器进行偏振的校准。这里的可调延时指的是光纤51的延时,即可以通过对光纤51进行精密调节以保证其延迟量使得前后光子对在同一时刻到达干涉偏振分束器4。优选地,可以通过对光纤51进行温度PID控制实现可调延时,即通过改变光纤51的温度,改变光纤51折射率,从而获得有效光程的变化,进而精细地调节光纤51的延时量。 [0088] 干涉偏振分束器4用于对两个输入端的两对光子对即四个纠缠光子进行干涉,干涉之后,两个光子对(四个光子)中的第二路光子对(包括一个光子对,即两个光子)依次进入测量系统6的偏振测量组件62和单光子探测器63,第一路光子对(即剩余一个光子对,两个光子)进入光纤保偏可调延时环5进行延时,从而再和下个时刻的光子对在干涉偏振分束器4上进行干涉。最后一次产生的第一路光子对进入预报探测器61进行偏振状态的探测。优选地,干涉偏振分束器4可以使用块状偏振分束器,透射水平偏振(H偏振)的光子,反射竖直偏振(V偏振)的光子,透射路对H偏振和V偏振实现10000:1的消光比。偏振测量组件62也可称为基矢投影可以通过延光路依次设置的一组1/4波片、1/2波片和偏振分束器实现。下式表示了不同时刻下单光子探测器63探测到的GHZ态的形式。 [0089] 0时刻: [0090] (2) [0091] 1T时刻: [0092] (3) [0093] nT时刻: [0094] (4) [0095] 其中, 表示在的时刻,光子偏振态为H; 表示在t=0T的时刻,光子偏振态为V。 表示在t=1T的时刻,存在两个偏振态为H的光子,其来源分别是确定性量子纠缠源(即量子纠缠源1)在t=0T和t=1T时刻发射的纠缠光子对; 表示在t=1T的时刻,存在两个偏振态为V的光子,其来源分别是确定性量子纠缠源在t=0T和t=1T时刻发射的纠缠光子对。 表示在t=nT的时刻,存在n个偏振态为H的纠缠光子对,其来源分别是确定性量子纠缠源在t=0T至t=nT时刻发射的纠缠光子对; 表示在t=nT的时刻,存在n个偏振态为V的纠缠光子对,其来源分别是确定性量子纠缠源在t=0T至t=nT时刻发射的纠缠光子对。因此在nT时刻,共有2(n+1)个光子处于GHZ态。经过(n+1)T时刻预报探测器61的测量,最后有2n个光子处于GHZ态。 [0096] 综上,本发明提出一种基于确定性量子纠缠源产生多光子GHZ态的方法。通过该发明中的实验装置,可以实现高效率、高保真度的多光子GHZ态,并极大缩减了所需要的实验器件(包括光源和光路)的规模。由于具有以上特点,本发明在量子计算、量子通信和量子精密测量领域都有着较为重要的意义。 [0097] 以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。 |