连续变量量子态频率变换装置

摘要

一种连续变量量子态频率变换装置，包括泵浦光源，泵浦光源输出的激光分为两束，一束激光依次经过光强控制系统和光束耦合系统后与输入的连续变量光场量子态耦合，经过模式匹配系统和非线性光学谐振器产生频率变换量子态，频率变换量子态经过光束准直系统和光场过滤系统进入平衡零拍测量系统；泵浦光源输出的另一束激光依次经过第二光强控制系统和第二光束耦合系统后与输入的本地光场耦合，经过第二模式匹配系统和第二非线性光学谐振器产生频率变换本地光场，频率变换本地光场经过第二光束准直系统和第二光场过滤系统进入平衡零拍测量系统；该装置可实现高效、高保真度的连续变量量子态的频率变换，且对泵浦光的额外噪声不敏感。

说明书

技术领域

本发明涉及连续变量量子光学和量子信息领域，具体是一种连续变量量子态频率变换装 置。

背景技术

基于光场和原子系统的量子信息网络目前得到了人们的很大重视，并取得了令人振奋的 研究进展。光场由于具有极快的传播速度及微弱的消相干特性等，适合于作为量子态的载体， 进行长距离传输；而原子由于具有较长的相干时间适合于量子态的存储。对于未来基于光场 和原子系统的量子信息网络，量子态需要在不同的物理载体之间进行高保真度的相互转移。 在现实环境中，量子信息网络的各个节点通常由不同的物理体系构成，从而具有不同的光学 特征频率。因此，能够实现光场量子态在不同光学频率之间进行高保真度转换功能的量子接 口器件将是未来量子信息网络的重要基本组成部分。例如，在量子信息网络中，量子态需要 在原子载体和光场载体之间进行转移；以及不同载波波长的光场之间进行转移。利用光场量 子态的频率变换技术，就能够将不同工作波长的量子系统相互联系起来。光场的正交分量具 有连续谱的结构，属于连续变量范畴，在量子光学及量子信息领域具有极重要的应用。

专利“Conversion of quantum information from one photonic representation to another photonic representation,Patent No.:US 7,449,672 B2”提出了关于光子的量子信息频率变换的方 法和装置，但在该专利中所涉及的量子信息的载体只限于：光子的偏振，光子数，时间区间， 以及角动量，并不包括光场的正交分量。基于光学二阶非线性光学频率变换技术是实现连续 变量光场量子态频率变换的最有效方案之一。文献“Observation of quantum frequency conversion,Phys.Rev.Lett.68,2153(1992)”报道了通过脉冲光学和频过程将非经典孪生光束 中的一束进行频率变换，实验上观察到频率变换后的光场和孪生光束中的剩余光束之间存在 着非经典的强度关联。在上述实验方案中，泵浦光和信号光均单次穿过非线性介质发生相互 作用，因此所需的抽运光场必须是具有高峰值功率的短脉冲光场，而对于抽运光场是连续波 光场的情形并不适用。文献“Frequency conversion of an entangled state,Phys.Rev.A 73,033817 (2006)”理论分析了利用和频过程实现连续变量纠缠态的量子态频率上转换。该文献引入了 谐振腔，从而增强了非线性相互作用，适用于连续波情形下的量子态频率变换，不足之处是 谐振腔对输入的信号光场和和频上转换光场均共振，由于腔线宽的限制，该方案只适合于窄 带的量子态频率变换，具有很大局限性。文献“Frequency conversion of continuous variable quantum states,J.Opt.Soc.Am.B 25,269(2008)”理论分析了基于谐振腔的宽带连续波连续变 量量子态频率变换，并研究了泵浦光额外起伏噪声对量子态频率变换的影响，但是该文献并 没有提出如何有效克服泵浦光额外起伏噪声带来的不利影响。在实际中，作为强泵浦光的激 光光源通常存在着较大的额外起伏噪声，这将会极大影响和降低连续变量光场量子态的频率 变换保真度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、稳定性好的连续变量量子态频率变换装置。该装 置可以实现连续变量光场量子态的高效、高保真度频率上变换或者下变换，而且量子态频率 变换的保真度对泵浦光场的额外起伏噪声不敏感。

本发明提供的一种连续变量量子态频率变换装置，包括泵浦光源，第一、第二光强控制 系统，第一、第二光束耦合系统，第一、第二模式匹配系统，第一、第二非线性光学谐振器， 第一、第二光束准直系统，第一、第二光场过滤系统，平衡零拍测量系统；所述的泵浦光源 输出的一束激光依次经过第一光强控制系统和第一光束耦合系统后与输入的连续变量光场量 子态耦合，经过第一模式匹配系统和第一非线性光学谐振器产生频率变换量子态，频率变换 量子态经过第一光束准直系统和第一光场过滤系统进入平衡零拍测量系统；泵浦光源输出的 另一束激光依次经过第二光强控制系统和第二光束耦合系统后与输入的本地光场耦合，经过 第二模式匹配系统和第二非线性光学谐振器产生频率变换本地光场，频率变换本地光场经过 第二光束准直系统和第二光场过滤系统进入平衡零拍测量系统；

所述的泵浦光源为单频连续波激光光源；

所述的第一非线性光学谐振器和第二非线性光学谐振器均由非线性介质、腔长锁定系统 和至少两个反射镜构成，其中一个反射镜固定在压电陶瓷上，作为输入耦合的反射镜外表面 镀有对泵浦光和信号光的减反膜，内表面镀有信号光的高透膜、泵浦光的部分反射膜和频率 转换光的高透膜；作为输出耦合的反射镜内表面镀有对信号光的高透膜、泵浦光的高反射膜 和频率转换光的高透膜，外表面镀有对信号光和频率转换光的减反膜；其余的反射镜内表面 镀有对信号光、泵浦光和频率转换光的高反射膜；非线性介质两个表面镀有对信号光、泵浦 光和频率转换光的减反膜。

所述的第一光场过滤系统和第二光场过滤系统均由能实现对频率转换光高透射，且对泵 浦光、信号光以及泵浦光的二次谐波高反射的至少一个平面反射镜构成。

所述的第一光束耦合系统和第二光束耦合系统均由两面镀膜的45度平面反射镜构成，其 中泵浦光对应的入射面镀有45度泵浦光减反膜，信号光对应的入射面镀有45度信号光高反 射膜和泵浦光的高透膜。

本发明装置中，第一光强控制系统和第二光强控制系统用来精确控制泵浦光的光强以实 现最佳量子态频率变换；第一光束耦合系统和第二光束耦合系统用来耦合泵浦光和信号光， 使得两光束的路径空间完全重合；第一模式匹配系统和第二模式匹配系统用来实现泵浦光和 信号光的空间模式到第一非线性光学谐振器和第二非线性光学谐振器的模式匹配；第一非线 性光学谐振器和第二非线性光学谐振器用来实现信号光场的高效、高保真度量子态频率变换 及本地光场的频率变换；第一光束准直系统和第二光束准直系统用来将第一非线性光学谐振 器和第二非线性光学谐振器出射的发散光场进行准直；第一光场过滤系统和第二光场过滤系 统用来将第一光束准直系统和第二光束准直系统输出光场中剩余的泵浦光、信号光以及泵浦 光的二次谐波光场完全过滤掉，只让频率变换光场无损耗通过；平衡零拍测量系统用来探测 频率变换光场量子态的正交分量信息。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

本发明连续变量量子态频率变换装置，信号光连续变量量子态及相应的本地光场入射该 装置后，可以实现高效、高保真度的连续变量量子态的频率变换及频率变换量子态的平衡零 拍测量，同时该装置对泵浦光场的额外起伏噪声不敏感。

本发明连续变量量子态频率变换装置，在获得信号光量子态频率变换的同时，可以实现 本地光场的频率变换，有效解决了对频率变换量子态进行平衡零拍测量所需的本地光场问题。

本发明连续变量量子态频率变换装置，信号光量子态和本地光场的频率变换过程的泵浦 光源来自于同一激光器，从而泵浦光源的额外起伏噪声将同时转移到频率变换光场和相应的 本地光场中，由于平衡零拍测量只与本地光场和信号光场的相对相位有关，来自于共同泵浦 光源的额外起伏相位噪声将被抵消，因此该装置可以有效克服泵浦光场额外相位噪声对连续 变量量子态频率变换过程的不利影响。

附图说明

图1连续变量量子态频率变换装置示意图

图2输入信号光场量子态的噪声功率谱，A为正交振幅分量噪声功率谱，B为正交位相 分量噪声功率谱

图3频率变换光场量子态的噪声功率谱，A为正交振幅分量噪声功率谱，B为正交位相 分量噪声功率谱

具体实施方式

一种连续变量量子态频率变换装置，如图1所示：包括泵浦光源1、第一光强控制系统2、 第一光束耦合系统3、第一模式匹配系统4、第一非线性光学谐振器5、第一光束准直系统6、 第一光场过滤系统7、第二光强控制系统8、第二光束耦合系统9、第二模式匹配系统10、第 二非线性光学谐振器11、第二光束准直系统12、第二光场过滤系统13和平衡零拍测量系统 14；泵浦光源1采用1550纳米单频连续波光纤激光器，其输出激光分为两部分，其中一束激 光依次经过第一光强控制系统2和第一光束耦合系统3后与输入的532纳米连续变量相干态 光场S耦合，再经过第一模式匹配系统4和第一非线性光学谐振器5产生810纳米频率变换 量子态，频率变换量子态经过第一光束准直系统6和第一光场过滤系统7进入平衡零拍测量 系统14；泵浦光源1输出的另一束激光依次经过第二光强控制系统8和第二光束耦合系统9 后与输入的532纳米本地光场L耦合，经过第二模式匹配系统10和第二非线性光学谐振器 11产生810纳米频率变换本地光场，频率变换本地光场经过第二光束准直系统12和第二光 场过滤系统13进入平衡零拍测量系统14；810纳米频率变换量子态经平衡零拍测量系统14 进行测量；第一光强控制系统2和第二光强控制系统8均由半波片和偏振分束棱镜组成；第 一光束耦合系统3和第二光束耦合系统9均由两面镀膜的平面反射镜构成，泵浦光入射面镀 有1550纳米S偏振45度减反膜，信号光入射面镀有532纳米S偏振45度高反膜和1550纳 米S偏振45度高透膜；第一非线性光学谐振器5和第二非线性光学谐振器11的谐振腔均由 两镜驻波腔构成，输入耦合反射镜外表面镀有532、1550纳米减反膜，输入耦合反射镜内表 面镀有532、810纳米的高透膜以及1550纳米的部分反射膜，输出耦合反射镜内表面镀有532、 810纳米高透膜以及1550纳米的高反射膜，输出耦合反射镜外表面镀有810、532纳米的高 透膜，非线性晶体的两个通光端面镀有对532、1550和810纳米激光的减反膜，腔长锁定系 统的误差电信号反馈到反射镜上的压电陶瓷来实现非线性光学谐振器的腔长和泵浦光共振； 第一光场过滤系统7和第二光场过滤系统13均由三个双面镀膜的平面滤波片构成，其中第一 个滤波片的前表面镀有810纳米高透膜和532纳米高反膜，后表面镀有810纳米减反膜，第 二个滤波片的前表面镀有810纳米高透膜和1550纳米高反膜，后表面镀有810纳米减反膜， 第三个滤波片的前表面镀有810纳米高透膜和775纳米高反膜，后表面镀有810纳米减反膜。

图2是实验测量的入射本发明装置的532纳米相干态信号光场的正交振幅分量和正交位 相分量的起伏噪声功率谱（归一化到相应的标准量子极限噪声）。可以看出，在分析频率大于 6MHz以上时，532纳米信号光场的正交振幅分量和正交位相分量的起伏噪声都与相应的标准 量子极限噪声重合，即为相干态。

图3是本发明装置输出的频率变换810纳米光场量子态的正交振幅分量和正交位相分量 的起伏噪声功率谱。可以看出在分析频率大于6MHz时，810纳米信号光场的正交振幅分量 和正交位相分量的起伏噪声均和相应的标准量子极限噪声重合，即为相干态。实验中测量到 相应的532纳米信号光场到810纳米频率变换光场的平均光子-光子转换效率为86%。因此利 用本发明装置可以实现532纳米相干态到810纳米相干态的高效、高保真度频率变换。同时， 在频率变换过程中，作为泵浦光的1550纳米光场在分析频率2MHz-20MHz处存在着远大于 标准量子极限的经典起伏噪声（当测量功率为8毫瓦左右时，相应的噪声高于标准量子噪声 极限10dB-20dB以上），从而证实了本发明装置对泵浦光场的额外起伏噪声不敏感。