四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置和实现方法

专利名称：四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置和实现方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201911370501.8

专利申请（专利权）人：太原师范学院
权利人地址：山西省晋中市榆次区大学街319号

专利发明（设计）人：周瑶瑶,刘艳红,马会芳

专利摘要：本发明公开了四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置和实现方法，该装置包括连续变量双波长内腔倍频稳频激光器、第一模式清洁器、第二模式清洁器、相干反馈控制系统、干涉系统和四套平衡零拍探测系统；所述的激光源是连续变量双波长内腔倍频激光器，输出波长为λ0和波长为λ0/2的低噪声激光光场；非简并光学参量放大器和反馈控制光学谐振腔构成了相干反馈控制系统；非简并光学参量放大器采用三共振驻波腔的结构，干涉系统由两套振幅调制器、位相调制器和两个光学分束片组成；本发明利用相干反馈的方法操控四组份束缚纠缠态光场，提高了多组份束缚纠缠源的质量，可以用于量子保密通信、量子计算以及量子网络中。

主权利要求：
1.四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置，其特征在于，包括连续变量双波长内腔倍频稳频激光器（1）、第一模式清洁器（21）、第二模式清洁器（22）、相干反馈控制系统、干涉系统（5）和四套平衡零拍探测系统（6）；
所述的第一模式清洁器（21）和第二模式清洁器（22）并联位于所述的连续变量双波长内腔倍频稳频激光器（1）的光路下游，所述的第一模式清洁器（21）和第二模式清洁器（22）的光路下游通往相干反馈控制系统；相干反馈控制系统的输出光场进入下游的干涉系统（5），干涉后得到四组份的束缚纠缠态光场进入下游的四套平衡零拍探测系统（6）测量；
所述的相干反馈控制系统包括非简并光学参量放大器（3）和反馈控制光学谐振腔（4）；
非简并光学参量放大器（3）采用半整块驻波腔的结构，包括非线性光学晶体（31）和输出镜（33），所述输出镜为平凹镜，内侧为凹镜外侧为平镜；
反馈控制光学谐振腔（4）采用包括两片平凹镜和两片平镜的四镜环行腔结构,其中一片平镜为控制耦合镜，两片平凹镜和另外一片平镜均为高反镜；
非简并光学参量放大器的非线性光学晶体（31）的上游光路上还设置有双色镜片DBS（7），双色镜片DBS上设置有镀膜，该镀膜对泵浦光场ap是高反的，对种子光场a0是高透的；
所述的非线性光学晶体（31）为带1±0.2度楔角的晶体，晶体的前表面同时作为非简并光学参量放大器的输入耦合镜，其镀膜对泵浦光场的透过率为20%±5%，对种子光场是高反的；晶体的后表面镀膜对种子光场和泵浦光场都是高透的，所述的平凹镜对种子光场的透过率为12.5%±0.5%，对泵浦光场是高反的；
所述的控制耦合镜的透过率为70%±5%。
2.根据权利要求1所述的四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置，其特征在于，所述的连续变量双波长内腔倍频稳频激光器，输出波长为λ0的种子光场a0和波长为λp=λ0/2的泵浦光场ap。
3.根据权利要求1所述的四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置，其特征在于，所述的干涉系统（5）包括两组干涉结构，每组干涉结构包括从光路上游往下游布置的一个振幅调制器（51）、一个位相调制器（52）和一个分束器（53），所述的振幅调制器与位相调制器位置可互换。
4.根据权利要求1所述的四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置，其特征在于，所述的四套平衡零拍探测系统（6）由四片50/50的光学分束片和多个功率加、减法器组成，将四束纠缠子模分别与本底振荡光场在50/50的光学分束片上进行干涉，其中每两束干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2。
5.采用权利要求1‑4任一所述装置进行的四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置的实现方法，其特征在于，包括如下依次进行的步骤：
1）连续变量双波长内腔倍频稳频激光器输出两束不同波长的激光光场；
2）两束光场分别经过第一模式清洁器和第二模式清洁器，对光束质量进行改善，第一模式清洁器的输出光场被分成三部分，一部分作为相干反馈控制系统的种子光场，一部分作为干涉系统中用于制备束缚纠缠态的热光场，还有一部分作为平衡零拍探测系统的本底振荡光场；第二模式清洁器输出的光场作为非简并光学参量放大器的泵浦光场；
3）光学参量放大器的输入种子光场和输入泵浦光场在光学腔内与非线性光学晶体发生非线性作用实现频率下转换,输出一对正交振幅反关联、正交位相正关联的高质量的两组份纠缠态光场；
4）反馈控制光学谐振腔控制步骤3）输出的光场不经过测量，一部分成为相干反馈控制系统的输出光场的一部分，一部分重新成为非简并光学参量放大器的输入光场的一部分；
5）将相干反馈操控系统最终输出的两束偏振相互垂直的纠缠态光场和两束加载有高斯噪声的热光场分别在两个光学分束器上耦合，干涉后得到相干反馈控制纠缠增强的四组份的束缚纠缠态光场；
6）最后利用多套平衡零拍探测系统对束缚纠缠态光场的正交分量进行测量。 说明书 : 四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置和实现方法技术领域[0001] 本发明四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置和实现方法，属于连续变量非经典光场的产生装置技术领域。背景技术[0002] 近年来，量子信息及量子计算领域的研究发展迅猛，展现出广阔的应用前景。连续变量纠缠态光场具有决定性和探测效率高的特点，在量子信息研究中起着重要的作用。连续变量纠缠态光场是实现连续变量量子信息研究的基本量子资源。随着量子网络及量子计算的发展，人们需要更多组份纠缠态光场来完成更复杂的量子信息网络研究。常见的多组份纠缠态包括Greenberger‑Horne‑Zeilinger（GHZ）态、Cluster态、束缚纠缠态等多种形式。在制备纠缠态的过程中，由于实验系统中存在一些不可避免的损耗导致的退相干作用，使得纠缠态容易退化为混合态，束缚纠缠态光场是介于量子可分态和量子不可分态之间的一种特殊纠缠态光场，并且它的振幅分量信息和位相分量信息是完全对称的，在量子信息系统中有着重要的作用。如果能够进一步提高纠缠源的质量，增强其纠缠度，可以进一步改善量子离物传态的保真度，量子信息的传输速率与效率等等。所以增强束缚纠缠态光场的纠缠度是十分必要的。[0003] 目前多组份的束缚纠缠态光场已经被制备出来，2012年，JiaXiaojun等人在PHYSICALREVIEWLETTERS上发表了“SuperactivationofMultipartiteUnlockableBoundEntanglement”的论文，该文章将两组份纠缠态光场的两个子模分别和两束加载有高斯噪声的热光场在1：1的分束器上耦合，得到了四组份的束缚纠缠态光场。[0004] 在上述文章中，最终获得的四组份束缚纠缠态光场的纠缠度为5.2dB，是因为用于制备两组份纠缠态光场的光学参量放大器为单个双共振的驻波腔结构，由于受到光学元器件自身性能不完美以及泵浦功率阈值较高的限制，仅输出了纠缠度为5.5dB的两组份纠缠态光场。其次，该文章仅仅考虑制备束缚纠缠态光场，而没有设计如何增强束缚纠缠态光场的纠缠度。[0005] 在现有的技术中，利用双共振的光学参量放大器能有效地获得两组份纠缠态光场，比如，澳大利亚的实验小组采用双共振的结构获得了两组份纠缠态光场，但是所需要的泵浦光功率阈值比较高，获得光场的纠缠度没有太大的提高。为了降低光学谐振腔的阈值，国内的实验小组在腔内加入了光楔等元件，但是因为增加了光学元件的数量，使内腔损耗增加，最后制备出来的纠缠态光场的纠缠度没有被进一步提高。发明内容[0006] 为克服现有技术的不足，本发明提供了四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置和实现方法，该装置能够制备出更好的束缚纠缠源，可以优化量子信息系统，应用前景广阔。[0007] 本发明通过以下技术方案实现：[0008] 四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置，包括连续变量双波长内腔倍频稳频激光器、第一模式清洁器、第二模式清洁器、相干反馈控制系统、干涉系统和四套平衡零拍探测系统；[0009] 所述的第一模式清洁器和第二模式清洁器并联位于所述的连续变量双波长内腔倍频稳频激光器的光路下游，所述的第一模式清洁器和第二模式清洁器的光路下游通往相干反馈控制系统；相干反馈控制系统的输出光场进入下游的干涉系统，干涉后得到四组份的束缚纠缠态光场进入下游的四套平衡零拍探测系统测量。[0010] 优选的，所述的连续变量双波长内腔倍频稳频激光器，输出波长为λ0的种子光场a0和波长为λp=λ0/2的泵浦光场ap。[0011] 优选的，所述的相干反馈控制系统包括非简并光学参量放大器和反馈控制光学谐振腔；[0012] 非简并光学参量放大器采用半整块驻波腔的结构，包括非线性光学晶体和输出镜，所述输出镜为平凹镜，内侧为凹镜外侧为平镜；[0013] 反馈控制光学谐振腔采用包括两片平凹镜和两片平镜的四镜环行腔结构,其中一片平镜为控制耦合镜，两片平凹镜和另外一片平镜均为高反镜。[0014] 优选的，所述的输出镜后面还粘贴有压电陶瓷PZT1，用于扫描非简并光学腔的腔长。[0015] 优选的，所述的两片平凹镜中的任意一片后面粘贴压电陶瓷PZT2，用于扫描反馈控制光学腔的腔长；[0016] 优选的，非简并光学参量放大器的非线性光学晶体的上游光路上还设置有双色镜片DBS，双色镜片DBS上设置有镀膜，该镀膜对泵浦光场ap是高反的，对种子光场a0是高透的。[0017] 优选的，所述的非线性光学晶体为带1±0.2度楔角的（磷酸钛氧钾）晶体，晶体的前表面同时作为非简并光学参量放大器的输入耦合镜，其镀膜对泵浦光场的透过率为20%±5%，对种子光场是高反的；晶体的后表面镀膜对种子光场和泵浦光场都是高透的，所述的平凹镜对种子光场的透过率为12.5%±0.5%，对泵浦光场是高反的。[0018] 优选的，所述的控制耦合镜的透过率为70%±5%。[0019] 优选的，所述的干涉系统包括两组干涉结构，每组干涉结构包括从光路上游往下游布置的一个振幅调制器、一个位相调制器和一个分束器；所述的振幅调制器与位相调制器位置可互换。[0020] 优选的，所述的四套平衡零拍探测系统由四片50/50的光学分束片和多个功率加、减法器组成，用于对多组份空间分离的束缚纠缠态光场的正交分量进行测量。将四束纠缠子模分别与本底振荡光场在50/50的光学分束片上进行干涉，其中每两束干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2。[0021] 采用所述装置进行的四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置的实现方法，包括如下依次进行的步骤：[0022] 1）连续变量双波长内腔倍频稳频激光器输出两束不同波长的激光光场；[0023] 2）两束光场分别经过第一模式清洁器和第二模式清洁器，对光束质量进行改善，第一模式清洁器的输出光场被分成三部分，一部分作为相干反馈控制系统的种子光场，一部分作为干涉系统中用于制备束缚纠缠态的热光场，还有一部分作为平衡零拍探测系统的本底振荡光场；第二模式清洁器输出的光场作为非简并光学参量放大器的泵浦光场；[0024] 3）非简并光学参量放大器的输入种子光场和输入泵浦光场在光学腔内与非线性光学晶体发生非线性作用实现频率下转换,输出一对正交振幅反关联、正交位相正关联的高质量的两组份纠缠态光场；[0025] 4）反馈控制光学谐振腔控制步骤3）输出的光场不经过测量，一部分成为相干反馈控制系统的输出光场的一部分，一部分重新成为非简并光学参量放大器的输入光场的一部分；[0026] 5）将相干反馈操控系统最终输出的两束偏振相互垂直的纠缠态光场和两束加载有高斯噪声的热光场分别在两个光学分束器上耦合，干涉后得到相干反馈控制纠缠增强的四组份的束缚纠缠态光场；[0027] 6）最后利用多套平衡零拍探测系统对束缚纠缠态光场的正交分量进行测量。[0028] 所述的反馈控制光学谐振腔是采用由两片平凹镜和两片平镜构成的四境环行腔结构。其中一个平镜为控制耦合镜，其他三个镜片均为高反镜。可以将驻波腔输出的纠缠态光场在不经过测量的情况下，重新反馈到驻波腔的输入端，利用反馈控制光学腔操控纠缠产生系统的运转，在一定条件下，可以降低它的泵浦光功率阈值，并且增强其输出纠缠态光场的纠缠度。提高被操控驻波腔输出光场的纠缠度，可以为制备多组份的束缚纠缠态光场提供更好的量子资源。[0029] 所述的四套平衡零拍探测系统由四片50/50的光学分束片和多个功率加、减法器组成，用于对多组份空间分离的束缚纠缠态光场的正交分量进行测量。将四束纠缠子模分别与本底振荡光场在50/50的光学分束上进行干涉，其中每两束干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2。[0030] 所述的非线性光学晶体采用的是带1±0.2度楔角的非线性光学晶体，晶体前表面对泵浦光场的透过率为20%±5%，所述的晶体特征使得非简并光学参量放大器内，除了信号光场和闲置光场之外，泵浦光场也能够在光学谐振腔内同时共振。采用三共振结构的非简并光学参量放大器，可以降低光学腔的泵浦光功率阈值，使得有限功率的单台激光器可以同时泵浦多个非简并光学参量放大器，为制备更多组份的纠缠态光场，实现更加复杂的量子信息研究提供有力的条件。[0031] 所述的非简并光学参量放大器中的平凹镜对信号光场的透过率为12.5%±0.5%，在一定的透射率范围内，提高光学谐振腔的输入输出耦合效率，能够得到更好的纠缠态光场。因为光学腔采用了三共振的结构，所以较高的透射率并没有使光学腔的泵浦功率阈值提高的太多，从而能够在低阈值的情况下得到高质量的纠缠态光场。[0032] 所述的控制耦合镜片的透过率为70%，使得最终输出的两组份纠缠态光场和输入驻波腔的光场都包括两部分，一部分是纠缠态光场，对纠缠增强起正作用，另一部分是注入的相干态光场和反馈腔引入的真空噪声，对纠缠增强起负作用。如果控制耦合镜的透射率较小，两部分光场对纠缠增强的总效果为负影响，反而降低了驻波腔输出光场的纠缠度，只有透射率在合适的范围内，两部分光场对纠缠增强的总效果才为正作用，当透射率选取70%±5%时，相干反馈的正作用达到最佳。[0033] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：[0034] 1）本发明提出一种操控多组份束缚纠缠态光场的方法，可以降低光学谐振腔的泵浦光功率阈值，提高束缚纠缠态光场的纠缠度，用于量子保密通信领域中。[0035] 2）本设计所使用的相干反馈控制的方法，不对原纠缠产生系统的输出纠缠态光场进行测量而是直接反馈，不会引入任何额外的噪声，可以更好地提高纠缠态光场的纠缠质量。[0036] 3）本发明设计被操控的纠缠产生系统采用了具有三共振驻波腔结构的非简并光学参量放大器，理论上可以通过提高输出镜的透射率，得到纠缠度高达10.6dB的纠缠光场。[0037] 4）利用非简并光学参量放大器和热光场干涉的方式制备的连续变量多组份束缚纠缠态光场是介于量子可分态和量子不可分态之间的一种特殊纠缠态光场，并且它的振幅分量信息和位相分量信息是完全对称的，在量子信息系统中有着重要的作用。[0038] 总之，利用相干反馈的方法操控具有三共振结构的驻波腔，更好地提高了用于制备束缚纠缠态光场的基本量子资源，最终可以获得纠缠度高达约10dB左右的多组份束缚纠缠态光场，多组份束缚纠缠态光场是介于量子可分态和量子不可分态之间的一种特殊纠缠态光场，并且它的振幅分量信息和位相分量信息是完全对称的，可以应用在更加复杂的连续变量量子通信及量子网络。附图说明[0039] 图1本发明四组份束缚纠缠源的纠缠增强装置结构示意图。[0040] 图2本发明非简并光学参量放大器的结构示意图。[0041] 图3本发明相干反馈控制系统的结构示意图。[0042] 图4本发明用于制备四组份束缚纠缠态光场的干涉系统结构示意图。[0043] 图中，1‑连续变量双波长内腔倍频稳频激光器；21‑第一模式清洁器；22‑第二模式清洁器；3‑非简并光学参量放大器；4‑反馈控制光学谐振腔，5‑干涉系统，6‑平衡零拍探测系统，7‑双色镜片DBS，8‑相干反馈控制系统，31‑非线性光学晶体，32‑第一压电陶瓷PZT1，33‑输出镜，41‑第一平镜，42‑第二平凹镜，43‑第三平凹镜，44‑第四平镜，45‑第二压电陶瓷PZT2，51‑振幅调制器，52‑位相调制器，53‑分束器。具体实施方式[0044] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。[0045] 四组份束缚纠缠源纠缠增强的实验装置，包括连续变量双波长内腔倍频稳频激光器1、第一模式清洁器21、第二模式清洁器22、相干反馈控制系统8、干涉系统5和四套平衡零拍探测系统6；[0046] 连续变量双波长内腔倍频稳频激光器，输出波长为λ0的光场a0和波长为λp=λ0/2的光场ap。[0047] 第一模式清洁器21和第二模式清洁器22并联位于所述的连续变量双波长内腔倍频稳频激光器1的光路下游，所述的第一模式清洁器21的输出的种子光场a0被分成三部分，一部分进入相干反馈控制系统，一部分进入干涉系统，还有一部分进入平衡零拍探测系统；第二模式清洁器22输出经过改善的泵浦光场ap，所述的第一模式清洁器21和第二模式清洁器22的光路下游均通往相干反馈控制系统。[0048] 相干反馈控制系统8包括非简并光学参量放大器3和反馈控制光学谐振腔4；[0049] 非简并光学参量放大器3采用半整块驻波腔的结构，包括非线性光学晶体31和输出镜33，所述输出镜33为平凹镜，内侧为凹镜外侧为平镜，平凹镜后面还粘贴有第一压电陶瓷PZT132，用于扫描非简并光学腔的腔长。非简并光学参量放大器3的非线性光学晶体KTP上游光路上还设置有双色镜片DBS7，其上设置有镀膜，该镀膜对泵浦光场ap是高反的，对种子光场a0是高透的。[0050] 反馈控制光学谐振腔4采用包括两片平凹镜（第二平凹镜42和第三平凹镜43）和两片平镜（第一平镜41和第四平镜44）的四镜环行腔结构,两片平凹镜（42和43）的任意一片后面粘贴第二压电陶瓷PZT245，用于扫描反馈控制光学腔的腔长；其中一片平镜44为控制耦合镜CBS，两片平凹镜和另外一片平镜均为高反镜，镜片41、42、43的镀膜均对纠缠光场高反，控制耦合镜CBS的透射率为70%，该透射率可以使相干反馈的正作用达到最佳，最大程度地增强纠缠态光场的纠缠度。[0051] 经过第一模式清洁器21输出后的光场a0有一部分进入相干反馈控制系统，工作过程是：光场a0首先经过透射率为70%的控制耦合镜CBS，之后70%的光场进入双色镜片DBS，30%的光场经过控制耦合镜CBS的反射成为相干反馈控制系统输出光场的一部分；双色镜片DBS7的镀膜对光场a0是高透的，透过双色镜片DBS的光场a0作为种子光场，依次进入非简并光学参量放大器3的非线性光学晶体31和输出镜33，输出镜对纠缠光场的透过率为12.5%，使得种子光场在KTP晶体与输出镜组成的光学腔内共振。[0052] 经过第二模式清洁器22输出后的泵浦光场ap不经过控制耦合镜CBS直接到达双色镜片DBS，双色镜片DBS对泵浦光场ap进行反射后，泵浦光场依次进入非线性光学晶体KTP31和平凹镜33，KTP晶体的前表面S1对泵浦光场的透过率为20%，输出镜33对泵浦光场是高反的，使得泵浦光场能够在KTP晶体与输出镜组成的光学腔内共振。光学参量放大器的输入种子光场和输入泵浦光场在光学腔内与非线性光学晶体发生非线性作用实现频率下转换,通过调节晶体的位置和控温系统，输出镜33最终输出一对正交振幅反关联、正交位相正关联的两组份高质量的纠缠态光场a1out（2out），两组份纠缠态光场经过对纠缠光场高反的镜片41、42、43后，进入控制耦合镜CBS，透过CBS的部分纠缠态光场作为相干反馈控制系统最终输出光场的一部分进入干涉系统5，经过CBS反射的光场重新进入非简并光学参量放大器3。[0053] 所述的干涉系统5位于反馈控制光学谐振腔4的光路下游，干涉后得到四组份的束缚纠缠态光场进入下游的四套平衡零拍探测系统6测量。[0054] 干涉系统5包括并列的两组干涉结构，每组干涉结构包括从光路上游往下游布置的一个振幅调制器51、一个位相调制器52和一个分束器53，每组内的振幅调制器51与位相调制器52位置可以互换。[0055] 相干反馈控制系统8输出的光场为正交振幅反关联，正交位相正关联的纠缠态光场a1（2），在相干反馈控制系统与干涉系统之间还设置有光学偏振分束棱镜PBS，利用光学偏振分束棱镜PBS将输出的纠缠态光场a1（2）分为偏振相互垂直的光场a1和a2。接着通过如图4所示的干涉系统，可以得到四组份的束缚纠缠态光场，最后再利用四套平衡零拍探测系统对这空间分离的四束缚纠缠态光场进行测量。[0056] 在相干态光场上通过振幅调制器和位相调制器加载一定强度高斯分布的白噪声，使其成为高斯分布的热光场（v1、v2），纠缠态光场中的一束a1和热光场v1在分束片BS1上进行干涉，纠缠态光场的另一束a2和热光场v2也在分束片BS2上进行干涉，控制每个干涉的两束光场的相对位相为0，可以得到相干反馈控制纠缠增强的四组份束缚纠缠态光场b1、b2、b3、b4。[0057] 四套平衡零拍探测系统6由四片50/50的光学分束片和多个功率加、减法器组成，用于对多组份空间分离的束缚纠缠态光场的正交分量进行测量。将四束纠缠子模分别与本底振荡光场在50/50的光学分束上进行干涉，其中每两束干涉光场的相对位相差精确控制与锁定在0或Pi/2。[0058] 整个装置中：[0059] 第一模式清洁器输出的种子光场被分成三部分，一部分作为相干反馈控制系统的种子光场，一部分作为干涉系统中用于制备束缚纠缠态的热光场，还有一部分作为平衡零拍探测系统的本底振荡光场；[0060] 第二模式清洁器输出的光场作为非简并光学参量放大器的泵浦光场；[0061] 非简并光学参量放大器3输出一对正交振幅反关联、正交位相正关联的两组份纠缠态光场a1out（2out），输出的光场不经过测量，而是通过反馈控制光学谐振腔的控制被分成两部分，一部分成为相干反馈控制系统最终输出光场的一部分，一部分重新作为非简并光学参量放大器输入光场的一部分。[0062] 非简并光学参量放大器3采用半整块驻波腔的结构，由带1°楔角的KTP光学晶体和输出耦合镜组成，KTP晶体的前表面S1对泵浦光场的透过率为20%，输出镜对泵浦光场是高反的，使得泵浦光场能够在腔内共振，输出镜对纠缠光场的透过率为12.5%，通过调节晶体的位置和控温系统，可以得到较高纠缠度的纠缠态光场。[0063] KTP晶体特征使得非简并光学参量放大器内的信号光场，闲置光场和泵浦光场同时在光学谐振腔内共振。采用三共振结构的非简并光学参量放大器，可以降低光学腔的泵浦光功率阈值，使得有限功率的单台激光器可以同时泵浦多个非简并光学参量放大器，为制备更多组份的纠缠态光场，实现更加复杂的量子信息研究提供有力的条件。[0064] 所述的KTP晶体的后表面S2带有1度的楔角，且晶体的前表面对泵浦光场的透过率为20%±5%，可以通过灵活地调节三束光场在晶体内的光程，实现信号光场、闲置光场以及泵浦光场在光学腔内同时共振，并且大大降低了光学腔所需要的泵浦光功率阈值。综上所述，利用带楔角的KTP晶体和平凹镜组成的光学参量放大器，可以在低的内腔损耗和低的泵浦光功率阈值下获得高质量的纠缠态光场。[0065] 所述的非简并光学参量放大器中的平凹镜对种子光场的透过率为12.5%，在一定的透射率范围内，提高光学谐振腔的输入输出耦合效率，能够得到更好的纠缠态光场。因为光学腔采用了三共振的结构，所以较高的透射率并没有使光学腔的泵浦功率阈值提高的太多，从而能够在低阈值的情况下得到高质量的纠缠态光场。所述的非简并光学参量放大器采用半整块驻波腔结构，相较于常见的四镜环形腔结构，半整块驻波腔所使用的光学元件的数量减少了至少一半，一定程度上降低了非简并光学参量放大器的内腔损耗，提高了用于制备四组份束缚纠缠态光场的两组份纠缠态光场的质量。[0066] 反馈控制光学谐振腔4可以将驻波腔输出的纠缠态光场在不经过测量的情况下，重新反馈到驻波腔的输入端，利用反馈控制光学腔操控纠缠产生系统的运转，在一定条件下，可以降低它的泵浦光功率阈值，并且增强其输出纠缠态光场的纠缠度。提高被操控驻波腔输出光场的纠缠度，可以为制备多组份的束缚纠缠态光场提供更好的量子资源。[0067] 所述的控制耦合镜片的透过率为70%，使得最终输出的两组份纠缠态光场和反馈回驻波腔的光场都包括两部分，一部分是纠缠态光场，对纠缠增强起正作用，另一部分是注入的相干态光场和反馈腔引入的真空噪声，对纠缠增强起负作用。如果控制耦合镜的透射率较小，两部分光场对纠缠增强的总效果为负影响，反而降低了驻波腔输出光场的纠缠度，只有透射率在合适的范围内，两部分光场对纠缠增强的总效果才为正作用，当透射率选取70%时，相干反馈的正作用达到最佳。[0068] 采用上述装置进行的四组份束缚纠缠源纠缠增强的实验方法，包括如下依次进行的步骤：[0069] 连续变量双波长内腔倍频激光器可以输出两种不同波长的激光，包括波长为540nm的绿光ap和波长为1080nm的红外光a0，两束光场分别经过模式清洁器21和22，对光束质量进行改善。第一模式清洁器21输出的光场a0被分成三部分，一部分作为相干反馈控制系统的种子光场，一部分作为干涉系统的热光场，还有一部分作为平衡零拍探测系统6的本底振荡光场。第二模式清洁器22输出的光场ap作为非简并光学参量放大器的泵浦光场。[0070] 非简并光学参量放大器由带1°楔角的KTP晶体和输出耦合镜组成，输出耦合镜的透射率为12.5%，泵浦光场和种子光场一起在非简并光学参量放大器内与光学晶体KTP发生非线性相互作用，获得连续变量两组份纠缠态光场，通过相干反馈控制系统，非简并光学参量放大器3输出的光场不经过测量，而是直接通过反馈控制谐振腔重新输入非简并光学参量放大器3内，反馈控制谐振腔4的控制耦合镜CBS的透过率为70%，能够最大程度地增强驻波腔输出的纠缠态光场，[0071] 为了确保连续变量四组份的束缚纠缠态光场不能提取出任何纠缠态，在图4所示的干涉系统中，热光场的噪声起伏满足下式：[0072][0073] 其中， 和 分别表示热光场振幅分量以及位相分量的噪声起伏，r表示相干反馈控制系统输出的两组份纠缠态光场的压缩因子。[0074] 本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

专利地区：山西

专利申请日期：2019-12-26

专利公开日期：2024-11-01

专利公告号：CN111123614B