[发明专利]一种基于自发参量下转换的双光子高维空间纠缠的实现方法

说明书

本发明公开了一种基于自发参量下转换的双光子高维空间纠缠产生的实现方法，该方法将自发参量下转换作用与泵浦光截面上的空间离散化相结合，提出一种基于自发参量下转换的双光子高维空间纠缠产生的实现方法；一方面该方法通过对泵浦光空间模式的操控来调控下转换光子态的性质，方法简单容易实现；另一方面，该方法通过构造高维的CGLMP‑type Bell不等式来验证双光子的量子纠缠特性，并提出了测量基矢的构造方法；因此本方法为自发参量下转换产生的双光子态提供了新的具有任意维度的纠缠自由度，并提出高维Bell不等式的构造方法，本发明为基于双光子高维纠缠的量子信息技术提供了参考。

技术领域

本发明属于量子光学和量子信息的交叉技术领域，具体涉及一种基于自发参量下转换的双光子高维空间纠缠的实现方法。

背景技术

纠缠态是量子力学理论中所描述的一种物质之间特有的状态，处在纠缠态中各物质自由度之间具有很强的关联效应，这种现象是任何基于局域变量的经典理论解释不了的。在量子纠缠的研究中，由于光子技术的高度发展，大家的注意力主要集中在偏振纠缠的双光子态，它是一种基于垂直光子传播方向上的两维自由度的纠缠。Bell不等式的测量为为纠缠系统之间强关联特性的证实提供了方法，违背Bell不等式被认为是强子关联存在的标志。相关研究不仅证实了量子理论的正确性，同时纠缠物质之间的强关联特性被应用于量子计算和量子信息领域，相关的研究包括量子加密、量子隐形传态和一些量子计算协议等等。随着量子信息领域的发展，一些新的基于更复杂纠缠体系的通信机制出现，例如多光子纠缠和高维自由度纠缠等等。另外理论研究发现，随着系统维度的增加，纠缠态具有更强的抗噪性，量子通信具有更高的安全性。

产生纠缠源最常用的方法是自发参量下转换过程，能量较高的泵浦光光子穿过非线性晶体由于非线性光学的作用有一定的概率产生两个能量较低的光子，它们通常被称作信号光和闲置光，在这个过程中三个光子之间要满足相位匹配。在自发参量下转换过程中由于受到动量守恒的限制，下转换产生的光子对中除了可能会出现偏振纠缠外，还会出现动量纠缠和轨道角动量纠缠。1998年，Monken等人在理论上提出了自发参量下转换中的角谱转移和图像转移，并在实验中予以证实。这项研究发现通过改变泵浦光的光场性质可以对下转换光子传播截面上的性质进行操控。2005年，Gabriel等人在实验上发现在非线性自发参量下转换过程中，通过泵浦光的空间结构实现对下转换光子空间模式的调控。在常规的自发参量下转换过程中，光子的径向空间自由度是不被考虑的，因此没办法直接产生空间纠缠。本发明将通过对泵浦光空间结构的调制，在自发参两下转换过程中实现信号光和闲置光之间径向空间自由的纠缠。该方法仅需要对泵浦光的空间模式进行调控，可以实现任意维度的纠缠；并且在该方法中通过光子的衍射特性实现双光子高维空间纠缠的Bell不等式测量；另外还通过测量光栅中狭缝的尺寸和狭缝之间的距离进行调整，对Bell不等式的检测结果进行修正，因此本方法在量子信息领域具有重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于自发参量下转换的双光子高维空间纠缠的实现方法，该方法通过对泵浦光空间模式的调控实现信号光和闲置光之间任意维度的径向空间纠缠；同时该方法利用了光的衍射特性实现对双光子高维空间纠缠的Bell不等式测量，该测量方法不需要多余的检测器件便可实现测量基矢空间的旋转；另外该方法还通过调整测量光栅中狭缝的尺寸和相邻狭缝的距离去降低单缝衍射对多缝干涉的影响，为Bell不等式的测量得到更精确的结果打下基础。因此，本方法为双光子高维空间纠缠的实用化提供了参考的方法。

技术方案：