一种参数可调的混态制备方法

技术领域

本发明涉及量子计算、量子通信以及量子调控技术领域，尤其涉及一 种参数可调的混态制备方法。

背景技术

量子纠缠在量子世界中充当着重要的角色，它是量子信息处理的核心 资源。例如，科学家们借助纠缠这一种资源完成了量子隐形传态，量 子密集编码，量子计算，以及量子随机数等方案。但是在现实世界里， 纠缠这一类资源十分脆弱，容易与外界环境发生退相干作用，最终不 可避免地导致制备的量子态退化成纠缠态与完全混态的混合体。比如常见的Werner态就是典型的混态，科学家们利用Werner态实现了量 子纠缠提纯、量子隐藏非局域性提取，以及量子纠缠度测量等等。因 此制备非最大纠缠态(混态)的研究具有举足轻重的意义。实验中制 备混态的方法有很多种，比如最初制备双光子Werner态，最常用的方法是：首先利用自发下参量转换收集到双光子最大纠缠态，然后利 用石英片组成消相干通道，但是这类方法只能制备出特定参数的 Werner态，而且实际制备操作较复杂，并且系统不太稳定。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种参数可调的混态制 备方法，只需旋转控制一块半波片的角度，就能得到任意想要的混态， 其中也包括Werner态，以及具有隐藏非局域性的局域态等。

本发明提供一种参数可调的混态制备方法，所述方法包括纠缠光源的 制备部分、权值可调的分路部分和各路的消相干通道部分，所述纠缠 光源的制备部分通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下转换 过程制备纠缠光子对；权值可调的分路部分通过使用BD晶体网络来 实现各路权值可控，BD晶体将非偏振光束分成两个平行的正交偏振 光束；各路的消相干通道部分通过可控的消相干通道对纠缠光子对中 的一路引入完全混态，所述方法使用BBO晶体自发参量下转换产生 双光子纠缠光源。

进一步改进在于：所述权值可调的分路部分由BD干涉环组成，BD干 涉环由三片BD晶体和六片半波片组成，其中使用的第二片与第三片 BD晶体形状规格与第一片BD晶体不同，在第一片BD与第二片BD 晶体中，放置三片半波片；在第二片BD与第三片BD晶体中，放置两片半波片；在第三片BD晶体中，放置一片半波片。

进一步改进在于：所述消相干通道由完全消相干部分，Z基态坍缩部 分，X基态坍缩部分构成，完全消相干通道使用两片半波片，一片Ι 型BBO晶体，一片LiNbO

进一步改进在于：所述第一块半波片相对于快轴旋转0°，第二块半 波片旋转45°，第三块半波片旋转任意角度来实现参数可调，第四 块，第五块与第六块半波片均旋转45°夹角。

进一步改进在于：所述Ι型BBO晶体与LiNbO

进一步改进在于：所述Z基态坍缩部分为量子算符中的泡利算符σ

进一步改进在于：所述BD干涉环中的半波片均为真零级半波片。

采用双光子纠缠光源，可调的分路系统，以及各路的可控的去极化信 道。其中量子纠缠光源包括泵浦光源与一块三明治型晶体。其中三明 治晶体用来接收来自激光源的泵浦激光，通过自发参量下转换过程产 生具有纠缠光子对的两束光子，其中三明治晶体由两块BBO晶体以 及在两块晶体之间放置一块真零级半波片，使用的半波片均为真零级， 后面简称为半波片；可调的分路系统由两组BD干涉系统构成，其中 第一组BD干涉仪中，放置了三块半波片，第二组BD干涉仪中，放 置了两块半波片，最后再第三块BD晶体后放置了一块半波片；可控 的消相干通道具体是实现Kraus算符操作。其中量子系统的开放性系 统的变化可以看做完全正保迹映射：

其中M

消相干的量子通道主要有退极化通道，振幅阻尼通道以及相位阻尼通 道。其中退极化通道是指光子通过通道后，原有的偏振受到消相干作 用后会发生退化，可以理解为部分光子偏振以p

根据Kraus算符保迹原则，要求这组Kraus算符满足

以一般情况讨论，假定本发明中进入消相干通道的初始单光子态为

其中|u>为上路通道输出量子态，|d>为下路通道输出量子态。θ为第 三块波片H3旋转相对于快轴的角度，这样只需通过改变半波片角度 就可连续调节两路通道的权重，这种由BD晶体组成的干涉网络可以 通过模块化后级联形成一般化双光子可调参信道。

在消相干通道中，光子偏振不变的一路使用单位算符I

如式(2)所示，当

其中ρ′也就是Werner态的一般表达式，M

其中θ

其中ρ

p

本发明的有益效果是：使用BD光束偏移器干涉仪，相较于Sagnac环 干涉仪的干涉可见度更加稳定，保真度高，并且集成度高，便于模块 化，利于级联扩展使用。该系统实验操作简单实用，对环境情况要求 低，并且只需调节半波片角度就可以制备出任意混态，通过实验结果 表明在各方面都具有良好的表现。

附图说明

图1是本发明的实例实验装置示意图。

图2是本发明的模拟集成BD干涉仪与各路消相干信道后的简化模型 图。

图3是本发明的双光子纠缠光源制备实验装置图。

图4是本发明的制备出的最大纠缠态的实部密度矩阵图。

图5是本发明的制备出的最大纠缠态的虚部密度矩阵图。

图6本发明的制备出的最大混态的实部密度矩阵图。

图7是本发明的制备出的最大混态的虚部密度矩阵图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步的详 述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。 本实施例提供了一种参数可调的混态制备方法，所述方法包括纠缠光 源的制备部分、权值可调的分路部分和各路的消相干通道部分，所述 纠缠光源的制备部分通过使用激光泵浦非线性晶体产生自发参量下 转换过程制备纠缠光子对；权值可调的分路部分通过使用BD晶体网 络来实现各路权值可控，BD晶体将非偏振光束分成两个平行的正交 偏振光束；各路的消相干通道部分通过可控的消相干通道对纠缠光子 对中的一路引入完全混态，所述方法使用BBO晶体自发参量下转换产生双光子纠缠光源。所述权值可调的分路部分由BD干涉环组成， BD干涉环由三片BD晶体和六片半波片组成，其中使用的第二片与第 三片BD晶体形状规格与第一片BD晶体不同，在第一片BD与第二片 BD晶体中，放置三片半波片；在第二片BD与第三片BD晶体中，放 置两片半波片；在第三片BD晶体中，放置一片半波片。所述消相干 通道由完全消相干部分，Z基态坍缩部分，X基态坍缩部分构成，完 全消相干通道使用两片半波片，一片Ι型BBO晶体，一片LiNbO

采用双光子纠缠光源，BD干涉仪，以及各路退极化操作通道。例如： 通过设计的消相干通道后，本实施例成功制备出一种类似于Werner 态的局域态。这种局域态在量子力学上表现为不可违背Bell不等式， 即不具备量子非局域性，其表达式为

为了更好阐述本发明的目的，技术方案以及本发明的优点，主要在以 下部分结合具体实施例，参照附图，对本发明做进一步的详细说明。 附图1是本实施例的实验装置示意图。其中包括了由BD干涉网络构 成的可调分路信道，以及消相干信道。如图1所示，初始态ρ

在实施例中，消相干通道中包括两块半波片，一片BBO晶体，一片 LiNbO

图2为推广后一般化的量子去极化信道制备任意混态模型图，初始态 ρ的其中一路ρ

图3为实施例中双光子态纠缠源制备实验装置图，其中激光器1、倍 频系统2构成泵浦激光源，在实施例中，激光器1采用的是光谱物理 公司生产的钛宝石飞秒激光器(脉宽100fs，重复频率80MHz，中心 波长780nm)。倍频后的光源经过透镜L1后在非线性晶体上聚焦后产 生自发参量下转换，其中非线性晶体由两块为beamlikeII型切割的 BBO晶体4、6和放置在两块BBO晶体中的真零级半波片5组成，其 中中间的半波片旋转45°，产生的参量光分别进入路径1与路径2。 以路径1为例，空间补偿晶体7LiNbO

表1

表1给出了不同权重p值的量子态层析(quantum state tomography) 的数据，给出了计算出来的纠缠度与保真度。

图4、5、6、7分别给出了重构出的最大纠缠态与最大混态的密度矩 阵的实部与虚部示意图。从图4、图5可以看出，最大纠缠态的实部 密度矩阵中的|HV>

从图4以及表1可以看出，利用本实施例制备双光子任意混态的方法， 可以通过调节半波片角度连续线性调节参数p值，并且随着参数p值 的变换，得到的混态保真度并无明显下降。利用这种方法制备出的任 意混态可以应用在量子纠缠提纯，量子非局域性，量子导引以及量子 压缩编码等领域。

综上，本实施例提出一种结构稳定、参数连续可调的任意混态制备方 法，本实施例采用了量子纠缠光源制备，可调BD干涉系统以及一般 性消相干信道。这样的实验系统方便模块化，集成度高。本实施例采 用的BD干涉系统，干涉可见度稳定且实验操作简单，只需调节半波 片角度就可以制备出任意参数的混态，并且制备出的混态的保真度能 达到实验的要求，可以将制备出的混态应用在量子纠缠提纯，量子非 局域性提取等领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行 了进一步详细说明，应理解的是，目前的专利说明书仅以块状晶体、 光学元器件等为例进行原理介绍，比如本发明的具体实施例使用的方 法同样适用于片上系统与其他材料的光学系统，并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。