[发明专利]连续变量量子态频率变换装置

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 anotherphotonic 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 frequencyconversion,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 variablequantum 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；