四光子共振纠缠光子对发生器

摘要

一种四光子共振纠缠光子对发生器，属于量子科学技术领域。本发明包括：第一、二柱透镜，圆柱形透明容器，第一、二反射镜，第一、二滤镜以及第一、二偏振器；第一、二柱透镜共轭几何配置，其焦线与圆柱形透明容器的主轴重合，第一反射镜、第一滤镜和第一偏振器在圆柱形透明容器一端出射光路上，按照第一反射镜、第一滤镜、第一偏振器的次序先后同轴放置；第二反射镜、第二滤镜和第二偏振器按同样的方式位于圆柱形透明容器另一端出射光路上；两束入射的泵浦光经柱透镜汇聚于圆柱形透明容器内的介质中。本发明可以使产生的纠缠光子对不须通过色散介质，避免了不利于其实际应用的附加效应。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种仪器技术领域的发生器，特别涉及一种四光子共振纠缠光子对发生器。

背景技术

纠缠光子对有很多神奇巧妙的量子力学特性，这些特性可以应用到量子计量、量子计算、量子信息(通信)、量子光刻等领域。在所有的相关应用中，最关键的是生成双光子纠缠态和测量纠缠态的相关性，即有效地产生纠缠光子对光源。

经对现有技术的文献检索发现，国际专利申请号为PCT/US01/44889，名称为“High-Flux Entangled Photon Generation via Parameteric Processes in aLaser Cavity”(“通过激光谐振腔里的参量过程产生高亮度纠缠光”)的专利提出，通过自发参量下转换(spontaneous parametric down-conversion，SPDC)的非线性光学效应产生纠缠光子对，在一个谐振腔里，用泵浦光照射介质，使介质受激辐射产生激光，激光会在谐振腔里放大，在这个谐振腔或者另一个辅助谐振腔里，可以使用光学混频的方式改变光的波长，纠缠光子对在产生激光的谐振腔或另一个辅助谐振腔里使用自发参量下转换的非线性光学效应产生的，这种方法的纠缠光子对产生效率很低(最多10^-5)，而且产生的纠缠光子需要在色散介质(能产生SPDC的非线性光学效应的晶体)中传播，这样双光子波包就会逐渐散开，使二阶Glauber关联函数降低。这些附加效应不利于纠缠光子对的实际应用，特别是远距离时钟同步等需要须要精确时间信息的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种四光子共振纠缠光子对发生器，使其具有较高的纠缠光子对产生效率，而且产生的纠缠光子对不须通过色散介质，可避免不利于纠缠光子对实际应用的附加效应。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：第一、二柱透镜，圆柱形透明容器，第一、二反射镜，第一、二滤镜以及第一、二偏振器；第一、二柱透镜是共轭几何配置的，第一、二柱透镜的焦线与圆柱形透明容器的主轴重合，第一反射镜、第一滤镜和第一偏振器位于圆柱形透明容器一端的出射光路上，按照第一反射镜在前、第一滤镜居中、第一偏振器最后的次序同轴放置，第二反射镜、第二滤镜和第二偏振器位于圆柱形透明容器另一端的出射光路上，同样按照第二反射镜在前、第二滤镜居中、第二偏振器最后的次序同轴放置，圆柱形透明容器中充有介质；两束入射的泵浦光经柱透镜汇聚于圆柱形透明容器中的介质中，在介质中发生四光子共振过程，生成强度相同方向相反的纠缠光子对，含有纠缠光子对的光分别从圆柱体透明容器两端出射，并分别经第一、二反射镜调整方向后，再经第一、二滤镜选择频率，而后经第一、二偏振器选择偏振态，最终得到纠缠光子对。

所述的介质是原子、分子或者纳米结构材料，其能级结构满足特定量子跃迁选择定则，可以发生四光子共振过程，例如原子可以是He、Be、Ne、Ar、Ca、zn、Kr、Sr、Cd、Xe、Ba、Hg等元素。

本发明的具体工作过程如下：两束入射强度为I₁、I₂，频率为ω₁、ω₂的泵浦光，其频率满足(是普朗克常数)，通过共轭几何配置的柱透镜汇聚到介质上，提供受激辐射条件，在介质中会发生四光子共振过程，并辐射出方向相反的纠缠光子对，四光子共振过程是指微观物理系统在泵浦光的激励下发生双光子跃迁(满足特定量子跃迁的选择定则)，从基态E₁到激发态E₂，然后辐射出频率为的纠缠光子对。纠缠光子对的发射率正比于两束入射泵浦光强度的乘积，而且进一步正比于生成的两纠缠光子的强度的乘积，这样不仅能够通过调节入射光的强度提高纠缠光子对的产生率，还可以提供纠缠光子对的受激辐射的条件。利用激光相位控制技术，可以控制两束入射光的相位，这样可以使用两束不同强度和频率的激光作为泵浦光源，以充分利用基态和激发态之间的共振态，使更多的介质可以被利用，从圆柱体透明容器两端出射的光的方向通过反射镜调节，并通过滤镜、偏振器滤掉背景光，就可以得到所需的纠缠光子对。

本发明有四个明显优点：(1)使用满足特定选择定则的物理系统(原子，分子或纳米器件)中发生的四光子共振过程，可以使产生的纠缠光子对不须通过色散介质，从而避免了不利于纠缠光子对实际应用的附加效应；(2)在共轭几何排列中采用激光相位控制技术来控制两束入射光的相位，一方面可以利用不同强度和频率的泵浦光，另一方面，可以控制光量子态因子，提高高阶过程效率，充分利用介质；(3)提供受激辐射条件；(4)采用偏振滤波器件选出纠缠光子对。

附图说明

图1四光子共振纠缠光子对发生器结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例四光子共振纠缠光子对发生器包括第一、二柱透镜8、9，圆柱形透明容器7、第一、二反射镜3、4，第一、二滤镜2、5以及第一、二偏振器1、6；第一、二柱透镜8、9是共轭几何配置的，第一、二柱透镜8、9的焦线与圆柱形透明容器7的主轴重合，第一反射镜3、第一滤镜2和第一偏振器1，位于圆柱形透明容器7一端的出射光路上，按照第一反射镜3在前、第一滤镜2居中、第一偏振器1最后的次序同轴放置，第二反射镜4、第二滤镜5和第二偏振器6位于圆柱形透明容器7另一端的出射光路上，同样按照第二反射镜4在前、第二滤镜5居中、第二偏振器6最后的次序同轴放置；两束入射强度为I₁、I₂，频率为ω₁、ω₂的泵浦光10、11经由第一、二柱透镜8、9构成的共轭几何结构汇聚于圆柱形透明容器7中的介质中，提供受激辐射条件，在介质中发生四光子共振过程，生成强度相同方向相反的纠缠光子对，所述的介质是稀有气体Ne，其基态能级2s²2p⁶¹S₀和激发态能级2s²2p⁵(²P°_3/2)3p²[¹/2]₀满足特定量子越迁选择定则，可以发生四光子共振过程，产生波长为1325埃的纠缠光子对，含有纠缠光子对的光从圆柱体透明容器7两端出射，一端出射的光先后经第一反射镜3调整方向、第一滤镜2选择频率、第一偏振器1选择偏振态，另一端出射的光按同样的原理先后经第二反射镜4、第二滤镜5、第二偏振器6，最终得到成对的处在量子纠缠状态的光子，即纠缠光子对。