连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置和方法

摘要

本发明提供了一种连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置及方法，所述装置包括光学参量放大器，光学参量放大器中放置工作温度可调的非线性晶体；还包括光电探测器、中央处理器、温度控制器，光电探测器将光学参量放大器透射的光信号转换为电信号，并通过模/数转换器输入中央处理器，中央处理器输出的信号经数/模转换器输入温度控制器，通过温度控制器控制非线性晶体的温度；所述自动调节经典增益的方法：通过用光电探测器监视光学参量放大器的透射信号，利用探测结果调节非线性晶体的工作温度，使透射信号的峰-峰值最大，即为经典增益最大；该装置解决了现有连续变量量子纠缠源不易操作的问题，为其从实验室走向市场奠定了基础。

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体是一种连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置和方法。

背景技术

量子信息学是信息科学和量子力学相结合而形成的新兴交叉学科，主要包括量子计算和量子通信。量子通信又主要包括量子离物传态、量子密码术和量子密集编码等。由于量子纠缠源的独特性质，使量子信息在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面具有突破现有经典信息系统极限的能力。

量子纠缠源是量子通信和量子计算的核心，实现连续变量量子信息最重要的关键和难点是制备稳定高效的连续变量量子纠缠态光源。

目前为止，产生连续变量量子纠缠源最普遍的方法是用单频激光器泵浦光学参量振荡器，经非线性过程产生非经典光场。1992年，美国的Kimble小组用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体作为光学参量振荡腔的非线性介质，通过非简并光学参量放大过程，获得两束偏振正交的压缩态光场——纠缠光束。1998年，他们利用阈值以下简并光学参量过程产生两束频率简并的正交位相压缩光，通过50%分束镜耦合获得了连续变量量子纠缠光束。2000年，山西大学光电研究所采用单频双波长的Nd:YAP/KTP激光器泵浦用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体作为非线性介质的光学参量放大器，当光学参量放大器运转于放大状态时，得到正交振幅正关联、正交位相反关联的明亮纠缠光束。

但是，上述工作都处在实验室阶段。目前为止，并没有相关的样机和商业化的连续变量量子纠缠源产品。其主要原因在于连续变量量子纠缠源对控制系统的要求较高，例如光学参量放大器经典增益的调节一般需要人工操作。经典增益的调节一般通过调节光学参量放大器中非线性晶体的温度实现。具体过程如下：当扫描泵浦光与信号光相对相位时，观察并记录一定温度范围内各个工作温度点下光学参量放大器透射信号的峰-峰值（透射信号的最大值用示波器读取，温度点的调节手动完成），综合比较，将非线性晶体的工作温度设定到透射信号峰-峰值最大的工作点上。需要手动操作使连续变量量子纠缠源不具备易操作性，制约了连续变量量子纠缠源的实用化。制约了连续变量量子纠缠源从实验室走向稳定可靠的产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置和方法。

本发明设计的一种连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置，包括光学参量放大器1，所述的光学参量放大器1中放置工作温度可调的非线性晶体12和控温炉18，控温炉18通过温度控制器27控制非线性晶体12的温度；温度控制器27通过数/模转换器26与中央处理器24连接，中央处理器24通过模/数转换器21与光电探测器20连接，中央处理器24还连接ROM存储器，非线性晶体温度跟踪程序存储在ROM存储器中；光电探测器20将光学参量放大器1透射的光信号转换为电信号，并通过模/数转换器21输入中央处理器24，中央处理器24执行非线性晶体温度跟踪程序，对信号进行处理并输出，输出的信号经数/模转换器26输入温度控制器27，温度控制器27最终通过控温炉18控制非线性晶体12的温度；

所述的非线性晶体温度跟踪程序，用于根据光学参量放大器1的透射信号跟踪计算光学参量放大器1的经典增益最大时非线性晶体12的温度；其包括初始化模块，判断模块，计算模块，纠错模块；

初始化模块：用于初始化非线性晶体的起始温度、温度变化方向，初始化光学参量放大器1透射信号的最大峰-峰值、上一个峰-峰值；

判断模块：用于根据温度变化前后光学参量放大器1透射信号峰-峰值的比较，确定非线性晶体温度变化的方向；

计算模块：用于根据光学参量放大器1透射信号的峰-峰值与最大峰-峰值，计算非线性晶体的温度变化量，并结合温度变化量与温度变化方向，计算出非线性晶体的下一个工作温度；

纠错模块：用于判断程序执行后得到温度是否超出控温炉的工作范围，如超过控温炉的工作范围，将下一个工作温度设定为控温炉非线性晶体的边界温度；用于在每个循环后设置一定的等待时间，等待非线性晶体的温度达到热平衡状态，防止装置误动作。

所述的控温炉18中设置半导体制冷器和热敏电阻，热敏电阻用来采样控温炉的实际温度值，并将采样的实际温度值与温度控制器27设置的设定温度值比较，得到的误差信号转换为半导体制冷器的控制信号。

本发明提供的一种连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的方法，依次包括如下步骤：

1）初始化非线性晶体12的起始温度、温度变化方向，初始化光学参量放大器1透射信号的最大峰-峰值、上一个峰-峰值；

2）采集非线性晶体12温度变化前后光学参量放大器的透射信号，根据温度变化前后光学参量放大器透射信号峰-峰值的比较，确定非线性晶体温度变化的方向；

3）根据光学参量放大器1透射信号的峰-峰值与最大峰-峰值，计算非线性晶体的温度变化量，并结合温度变化量与温度变化方向，计算出非线性晶体的下一个工作温度，此温度信号作为控制控制非线性晶体下一个工作温度的信号

4）等待非线性晶体的温度达到热平衡状态后，再执行下一个循环，直到光学参量放大器1的经典增益最大。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

本发明采用光学参量放大器1经典增益自动调节装置，光学参量放大器1经典增益的调节过程无需人工参与，解决了现有连续变量量子纠缠源易操作性的问题，为连续变量量子纠缠源从实验室走向产品奠定了基础。

附图说明

图1是本发明连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置示意图；其中：1—光学参量放大器，11—光学参量放大器输入镜，12-非线性晶体，13—光学参量放大器输出镜，14—光开关，15—第一双色分光镜，16-第二双色分光镜，17-反射镜，18-控温炉，20光电探测器，21-模/数转换，24-中央处理器，26-数/模转换，27-温度控制器，40-控温炉温度信号，42-温度控制信号，50-泵浦光位相扫描信号，52-光开关14闭合时，光学参量放大器透射信号示意图，54-光开关14打开时，扫描泵浦光位相时，光学参量放大器透射信号示意图。

图2是本发明中非线性晶体转换效率随温度变化关系示意图；其中：非线性转换效率与非线性晶体12的工作温度有关，工作温度越接近非线性晶体12的相位匹配温度，非线性转换效率越高，工作温度T1和工作温度T2远离非线性晶体12的相位匹配温度，非线性转换效率减小。

图3是本发明中使用的温度控制器27的电路图；其中：80—中央处理器输出的设定温度信号，84—恒流源，86—第一电压跟随器，88—第二电压跟随器，90—比较器，82—PID控制器，92—反向电路，94—功率放大电路，18—控温炉，40—控温炉温度信号，42—温度控制信号。

图4是本发明中使用的非线性晶体温度跟踪程序的程序流程图。

图5是本发明中使用的非线性晶体温度跟踪程序中改变非线性晶体温度的子程序流程图。

具体实施方式

一种连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的装置，如图1所示，光学参量放大器1由光学参量放大器输入镜11和光学参量放大器输出镜13组成，均为曲率半径为50mm的平凹镜。光学参量放大器输入镜11的凹面镀1080nm高反、540nm高透膜。光学参量放大器输出镜13的凹面对540nm高反，对1080nm光的反射率为95%。光学参量放大器1中放置工作温度可调的非线性晶体12和控温炉18。非线性晶体是Ⅱ类非临界相位匹配的KTP晶体，两个端面均对1080nm和540nm双减反，尺寸为3×3×10mm，相位匹配温度为66℃左右。泵浦源采用双波长输出的单频Nd:YAP/LBO激光器，它分别输出波长为1080nm的基频光和540nm的倍频光。波长为1080nm的基频光作为光学参量放大器1的信号光，波长为540nm的倍频光作为光学参量放大器1的泵浦光。信号光和泵浦光在第一双色分光镜15上合束后入射到光学参量放大器1中，在光学参量放大器1中产生二阶非线性相互作用过程。当光学参量放大器低于阈值时，输出偏振正交、频率简并的下转换光具有纠缠特性。光学参量放大器1的输出光经第二双色分光镜16后，泵浦光被反射，透射的压缩光经反射镜17反射到光电探测器20中。控温炉18通过温度控制器27控制非线性晶体12的温度；温度控制器27通过数/模转换器26与中央处理器24连接，中央处理器24通过模/数转换器21与光电探测器20连接，中央处理器24还连接ROM存储器，非线性晶体温度跟踪程序存储在ROM存储器中；光电探测器20将光学参量放大器1透射的光信号转换为电信号，并通过模/数转换器21输入中央处理器24，中央处理器24执行非线性晶体温度跟踪程序，对信号进行处理并输出，输出的信号经数/模转换器26输入温度控制器27，温度控制器27最终通过控温炉18控制非线性晶体12的温度；

非线性晶体温度跟踪程序，用于根据光学参量放大器1的透射信号跟踪计算光学参量放大器1的经典增益最大时非线性晶体12的温度；其包括初始化模块，判断模块，计算模块，纠错模块；

初始化模块：用于初始化非线性晶体的起始温度、温度变化方向，初始化光学参量放大器1透射信号的最大峰-峰值、上一个峰-峰值；

判断模块：用于根据温度变化前后光学参量放大器1透射信号峰-峰值的比较，确定非线性晶体温度变化的方向；

计算模块：用于根据光学参量放大器1透射信号的峰-峰值与最大峰-峰值，计算非线性晶体的温度变化量，并结合温度变化量与温度变化方向，计算出非线性晶体的下一个工作温度；

纠错模块：用于判断程序执行后得到温度是否超出控温炉的工作范围，如超过控温炉的工作范围，将下一个工作温度设定为控温炉非线性晶体的边界温度；用于在每个循环后设置一定的等待时间，等待非线性晶体的温度达到热平衡状态，防止装置误动作。

所述的控温炉18中设置半导体制冷器和热敏电阻，热敏电阻用来采样控温炉的实际温度值，并将采样的实际温度值与温度控制器27设置的设定温度值比较，得到的误差信号转换为半导体制冷器的控制信号。

光学参量放大器锁定采用边带锁频技术，将光学参量放大器的腔长稳定在信号光频率上。泵浦光位相采用频率为10Hz的三角波信号进行扫描。关闭光开关14，只有信号光注入光学参量放大器1时，光学参量放大器的透射信号如直线52所示。打开光开关14，使泵浦光和信号光同时注入光学参量放大腔。给泵浦光施加相位扫描信号，光电探测器20的输出信号为曲线54所示的类正弦信号。

非线性晶体12转换效率随温度的变化关系如图2所示，当非线性晶体12的工作温度在相位匹配温度时，非线性转换效率最高，对应的光学参量放大器1的经典增益最大。当非线性晶体12的工作温度偏离相位匹配温度时，非线性转换效率降低，对应的光学参量放大器1的经典增益变小。光电探测器20的输出信号54反映光学参量放大器1输出光信号的强度变化，此信号可以用来判断光学参量放大器的经典增益情况。信号54的峰-峰值越大，表明光学参量放大器1的经典增益越大，反之亦然。因此，我们可以通过跟踪光学参量放大器1透射信号来判断经典增益的大小，此信号经中央处理器24调用非线性晶体温度跟踪程序处理后，得到非线性晶体12的最佳工作温度。此温度信号作为温度控制器27的设定温度信号80，温度控制器27经控温炉18控制非线性晶体12的实际工作温度与中央处理器24输出的设定温度相等。此时，光学参量放大器1的经典增益最大。

光电探测器20采用美国JDSU公司生产的ETX500。模/数转换21芯片采用美国BURR-BROWN公司生产的ADS7825。数/模转换26芯片采用美国MAXIM公司生产的MAX541。中央处理器24采用ATMEL公司生产的AT89C55。温度控制器27的电路图如图3所示。温度控制元件采用半导体制冷片，制冷片是杭州大和热磁电子有限公司生产的9500/031/060B。控温炉18的温度通过温度传感器-热敏电阻采样，热敏电阻安装在控温炉上，由美国Wavelength Electronics,INC公司生产的TCS610。

一种连续变量量子纠缠源中自动调节经典增益的方法，依次包括如下步骤：

1）初始化非线性晶体12的起始温度、温度变化方向，初始化光学参量放大器1透射信号的最大峰-峰值、上一个峰-峰值；

2）光电探测器20采集非线性晶体12温度变化前后光学参量放大器的透射的光信号，并将光信号转换为电信号，通过模/数转换器21输入中央处理器24，中央处理器24根据温度变化前后光学参量放大器透射信号峰-峰值的比较，确定非线性晶体温度变化的方向；

3）中央处理器24根据光学参量放大器1透射信号的峰-峰值与最大峰-峰值，计算非线性晶体的温度变化量，温度变化量的大小通过下面的式子计算：

温度变化量=（1-当前峰-峰值/最大峰-峰值）

如果温度变化方向为升温，非线性晶体12的下一个工作温度为当前工作温度加温度变化量；如果温度变化方向为降温，非线性晶体12的下一个工作温度为当前工作温度减温度变化量；中央处理器24计算得到的下一个温度经数/模转换器26输入温度控制器27，温度控制器27最终通过控温炉18控制非线性晶体12的温度；

4）在每个循环后设置一定的等待时间，等待温度控制器27的实测温度和设定温度相等，即非线性晶体12的温度达到热平衡状态后，再执行下一个循环，直到光学参量放大器1的经典达到增益最大。

自动调节经典增益的过程如下：

在非线性晶体温度跟踪程序执行前，首先将光学参量放大器的腔长锁定到基频光频率上。关闭光开关14，只有信号光注入光学参量放大器1时，光学参量放大器的透射信号如直线52所示。然后，扫描泵浦光与信号光相对位相，光学参量放大器的透射信号随相对位相而呈参量放大和参量缩小状态。打开光开关14，使泵浦光和信号光同时注入光学参量放大腔。扫描泵浦光相位，用光电探测器20探测透射信号的大小。透射信号的大小与泵浦光和信号光的相对位相有关。当泵浦光和信号光的相对位相为0时，光学参量放大器1处于参量放大状态，透射信号较大；当泵浦光和信号光的相对相位为π时，光学参量放大器1处于参量缩小状态，透射信号较小。因此，当以曲线50所示的信号扫描泵浦光与信号光相对相位时，光电探测器20的输出信号为曲线54所示。

根据非线性晶体12的性质、参量相互作用的光的波长，以及前期的实验数据初始化非线性晶体12的温度为63℃、温度变化方向为升温、光学参量放大器1透射信号的最大峰-峰值为5V、上一个峰-峰值为0.02V。该初始温度位于图2所示的工作温度T1和工作温度T2之间。透射信号与非线性晶体12的工作温度有关，读出透射信号的最大值与最小值，计算透射信号的峰-峰值。非线性晶体12放置在控温炉18中，它的工作温度由控温炉18决定。光学参量放大器1经典增益的大小与非线性转换效率有关。非线性转换效率越大，光学参量放大器1的经典增益越大，反之亦然。而从图2可以看出，非线性转换效率与非线性晶体12的工作温度有关，工作温度越接近非线性晶体12的相位匹配温度，非线性转换效率越高，工作温度T1和工作温度T2远离非线性晶体12的相位匹配温度，非线性转换效率减小。因此光学参量放大器1经典增益的自动调节可以通过控制非线性晶体12的工作温度实现。光学参量放大器1的经典增益可以通过曲线54的峰-峰值表征，峰-峰值越大，表明经典增益越大。因此自动调节光学参量放大器1经典增益的过程就是通过将光电探测器采样的信号经模/数转换21后送入中央处理器24计算，中央处理器24的输出信号送入数/模转换26后得到模拟信号，数/模转换26的输出信号用来设定温度控制器27的设定温度点。通过温度控制器27使非线性晶体控温炉18，使非线性晶体12工作在最佳相位匹配点上。温度控制器27采样控温炉18的温度信号40与中央处理器24计算得到的设定温度点送入如图3所示的温度控制电路上，输出温度控制信号42，控制信号42作用在控温炉18的半导体制冷片上。用来控制控温炉18的工作温度。

具体的调节过程由非线性晶体温度跟踪程序控制，它存储在可编程存储器中，与中央处理器连接。非线性晶体温度跟踪程序的输出是设置非线性晶体12温度的命令信号。图4和图5是非线性晶体温度跟踪程序的流程图。在程序开始执行时，步骤102通过中央处理器24设定非线性晶体的初始温度，初始温度的大小与非线性晶体12和泵浦光、信号光的波长有关。利用波长为540nm的泵浦光和波长为1080nm的信号光在非线性晶体KTP中作用时，一般取初始温度为63℃。步骤104初始化非线性晶体12的温度变化方向，它与非线性晶体的下一个工作温度有关。在步骤104，首先将温度变化方向初始化为升温。在步骤106，初始化最大峰-峰值，上一个峰-峰值和上一个工作温度点。在步骤108，程序根据光电探测器20的探测结果执行判断。如果当前峰-峰值小于上一个峰-峰值，表明步骤104初始化的温度变化方向错误，在这种情况下，改变温度变化的方向通过步骤110。在步骤112，计算一个新的非线性晶体工作温度变化量。温度变化量的大小通过下面的式子计算：

温度变化量=（1-当前峰-峰值/最大峰-峰值）    （a）

步骤114判断工作温度的变化是否小于0.001摄氏度，如小于0.001摄氏度，表明非线性晶体12的工作温度无需变化，程序中所有参数保持不变。如果工作温度的变化大于0.001摄氏度，上一个峰-峰值被设置为最大峰-峰值（步骤116）。然后，程序转入步骤126，调用改变非线性晶体工作温度的子程序。子程序执行完后，返回步骤108循环执行，直到光学参量放大器1的经典增益达到最佳状态。

如果非线性晶体12温度变化后，光学参量放大器1输出信号的峰-峰值没有下降（步骤114），一定要比较当前峰-峰值和最大峰-峰值（步骤118）。如果当前峰-峰值大于最大峰-峰值，将当前峰-峰值设置为最大峰-峰值（步骤120）。步骤122比较当前峰-峰值和最大峰-峰值的大小，如果当前峰-峰值不小于最大峰-峰值，非线性晶体12的工作温度不变。如果当前峰-峰值小于最大峰-峰值，程序计算温度变化量（步骤124）。温度变化量可以用式子(a)计算。然后，程序转入步骤126，调用改变非线性晶体工作温度的子程序。

图5是改变非线性晶体12工作温度的子程序的流程图。在步骤130，判断温度变化的量是否小于0.001摄氏度。如果小于0.001摄氏度，表明非线性晶体12工作温度已调节到最佳工作点。如果不小于0.001摄氏度，将当前峰-峰值赋值给上一个峰-峰值（步骤132）。在步骤136、步骤138、步骤140，程序根据温度的变化方向和计算得到的温度变化量计算新的工作温度。如果新的温度大于控温炉18的最大工作温度，或小于控温炉18的最小工作温度（步骤142，步骤146），将控温炉和最大或最小工作温度设定为当前工作温度（步骤144，步骤148）。根据计算结果设定新的非线性晶体12工作温度（步骤150）。设定工作温度的信号经中央处理器24和数/模转换26送入温度控制器27，作为设定温度信号。

当设定温度信号发送到温度控制器27后，我们设定30秒等待时间（步骤152，步骤154），使非线性晶体12的温度达到稳定状态。标准具温度变化完成后，中央处理器24开始处理光电探测器20探测的当前信号，开始下一个循环的处理过程。