一种干涉仪及其产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法.pdf

本发明公开了一种干涉仪及其产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，所述干涉仪包括真空系统、第一激光器、第二激光器、第三激光器、光电探测器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一反射镜以及第二反射镜；真空系统的中心产生冷原子团，第一激光器用于产生参考光，第二激光器用于产生耦合光，第三激光器用于产生泵浦光。所述方法是先搭建真空系统，在真空系统中心获取冷原子团，利用参考光稳定干涉仪相位差，再利用自发辐射四波混频过程，通过两路泵浦光和耦合光分别产生斯托克斯光子和反斯托克斯光子；调整干涉仪两路相位差，设置泵浦光和耦合光偏振，得到亚自然线宽偏振纠缠光子对。本发明产生的光子对适用于远距离的量子通信和量子存储。

权利要求书1.  一种干涉仪，该干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪，其特征在于：包括真空系统、第一激光器、第二激光器、第三激光器、光电探测器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一反射镜以及第二反射镜；所述真空系统的中心产生冷原子团，所述第一激光器用于产生参考光，所述第二激光器用于产生耦合光，所述第一激光器产生的参考光与第二激光器产生的耦合光均对准第一偏振分光棱镜，且参考光的光路方向与耦合光的光路方向相互垂直；所述第三激光器用于产生泵浦光，且产生的泵浦光对准第二偏振分光棱镜，所述光电探测器设置在第二偏振分光棱镜合束的光路出射端并对光强进行探测；所述第一反射镜设置在第一偏振分光棱镜分束的其中一路光路中，所述第二反射镜设置在第二偏振分光棱镜分束的其中一路光路中，所述第一偏振分光棱镜、第一反射镜分别与第二偏振分光棱镜、第二反射镜关于真空系统对称。2.  根据权利要求1所述的一种干涉仪，其特征在于：还包括四个半波片和四个1/4波片，四个半波片分别为第一半波片、第二半波片、第三半波片以及第四半波片，四个1/4波片分别为第一1/4波片、第二1/4波片、第三1/4波片以及第四1/4波片，所述第一半波片设置在第一激光器与第一偏振分光棱镜的之间，所述第二半波片设置在第二激光器与第一偏振分光棱镜之间，所述第三半波片设置在第三激光器与第二偏振分光棱镜之间，所述第四半波片设置在光电探测器与第二偏振分光棱镜之间，所述第一1/4波片设置在第一偏振分光棱镜与第一反射镜之间，所述第二1/4波片设置在第一偏振分光棱镜与真空系统之间，所述第三1/4波片设置在第二偏振分光棱镜与第二反射镜之间，所述第四1/4波片设置在第二偏振分光棱镜与真空系统之间。3.  根据权利要求1或2所述的一种干涉仪，其特征在于：所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜作为光路分束器或光路合束器，所述第一反射镜和第二反射镜用于调整光路方向和相位补偿。4.  根据权利要求1或2所述的一种干涉仪，其特征在于：所述真空系统为真空腔。5.  根据权利要求1或2所述的一种干涉仪，其特征在于：所述第一激光器、第二激光器和第三激光器均采用DL100半导体激光器。6.  基于权利要求2所述干涉仪产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，其特征在于包括以下步骤：1)搭建真空系统，在真空系统的中心获得冷原子团，并制备至四波混频的基态；2)第一激光器产生的参考光注入干涉仪中，先经过第一半波片，再经第一偏振分光棱镜分成两路，其中一路依次经过第一反射镜、第二反射镜后，与另一路一起经第二偏振分光棱镜合成一路，进入光电探测器探测光强；根据光电探测器的信号，通过反馈电路控制压电陶瓷来调整第一反射镜和第二反射镜的位置，稳定干涉仪两路相位差；3)第二激光器产生的耦合光经过第二半波片，再经第一偏振分光棱镜分成两路，两路光路分别经过第一1/4波片和第二1/4波片，与参考光重合，注入冷原子团中，这两路光路与冷原子团的长轴形成小夹角；第三激光器产生的泵浦光经过第三半波片，再经第二偏振分光棱镜分成两路，两路光路分别经过第三1/4波片和第四1/4波片，与耦合光相对入射，光路重合；4)耦合光和泵浦光分别与冷原子团作用，形成四波混频过程，发射出一个斯托克斯光子和一个反斯托克斯光子，根据四波混频过程要满足能量守恒、角动量守恒、动量守恒，成对产生的斯托克斯光子和反斯托克斯光子时间和频率纠缠，偏振与耦合光和泵浦光匹配；同时，耦合光与反斯托克光子形成的三能级电磁诱导透明效应，将压窄所产生纠缠光子对的线宽，而得到亚自然线宽纠缠光子对；5)当两路耦合光和泵浦光同时存在时，调整干涉仪两路的相位差，设置好耦合光和泵浦光的偏振，获得所需亚自然线宽偏振纠缠光子对。7.  根据权利要求6所述产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，其特征在于：步骤4)所述形成四波混频过程，发射出一个斯托克斯光子和一个反斯托克斯光子，具体如下：在冷原子团长轴方向，在泵浦光的作用下，使一个原子从原子基态跃迁到激发态，通过自发辐射发射一个斯托克斯单光子，原子回到另外一个基态，在耦合光的作用下，引起拉曼跃迁过程，原子立刻跃迁到另外一个激发态，并发射一个反斯托克斯光子。8.  根据权利要求6所述产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，其特征在于所述方法还包括：在冷原子团扩散前，通过关闭第二激光器、第三激光器，停止发射耦合光和泵浦光，返回步骤1)进行下一次制备。9.  根据权利要求6-8任一项所述产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，其特征在于：所述冷原子团通过激光器产生冷却光来获得，且在步骤3)之前关闭该产生冷却光的激光器，使冷原子团自由扩散，制造光子对产生窗口。10.  根据权利要求9所述产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，其特征在于：产生冷却光的激光器采用TA100半导体激光器。

说明书一种干涉仪及其产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法
技术领域
本发明涉及一种干涉仪及其产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，尤其是一种马赫-曾德尔干涉仪及其产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，属于光子传输及存储技术领域。
背景技术
光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是电磁辐射的载体，在量子场论中光子是传递电磁相互作用的媒介子，而在量子通信系统中，它被认为是理想的信息传输载体。但信道中的光子随传输距离指数衰减限制了其通信的距离，远距离的量子通信则需要利用基于量子存储器的量子中继，而量子存储器能存储的光子线宽不能大于自然线宽(兆赫兹量级)，因此亚自然线宽光子对源至关重要。
光子的偏振态，作为其一种内态，具有易于编码和读取，飞行过程中抗干扰能力强等优点，是飞行比特的一种理想的传输载体。
目前，常采用自发参量下转换过程来产生偏振纠缠光子对，而自发参量下转换过程产生的偏振纠缠光子对的线宽，仍然大于大部分原子跃迁的自然线宽，从而导致光子偏振态的储存效率低下，难以用于量子储存器中。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、操作方便、可行性强的干涉仪适用于远距离的量子通信和量子存储。
本发明的另一目的在于提供一种上述干涉仪产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，该方法产生的亚自然线宽偏振纠缠光子对。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种干涉仪，该干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪，其特征在于：包括真空系统、第一激光器、第二激光器、第三激光器、光电探测器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第一反射镜以及第二反射镜；所述真空系统的中心产生冷原子团，所述第一激光器用于产生参考光，所述第二激光器用于产生耦合光，所述第一激光器产生的参考光与第二激光器产生的耦合光均对准第一偏振分光棱镜，且参考光的光路方向与耦合光的光路方向相互垂直；所述第三激光器用于产生泵浦光，且产生的泵浦光对准第二偏振分光棱镜，所述光电探测器设置在第二偏振分光棱镜合束的光路出射端并对光强进行探测；所述第一反射镜设置在第一偏振分光棱镜分束的其中一路光路中，所述第二反射镜设置在第二偏振分光棱镜分束的其中一路光路中，所述第一偏振分光棱镜、第一反射镜分别与第二偏振分光棱镜、第二反射镜关于真空系统对称。
作为一种优选方案，还包括四个半波片和四个1/4波片，四个半波片分别为第一半波片、第二半波片、第三半波片以及第四半波片，四个1/4波片分别为第一1/4波片、第二1/4波片、第三1/4波片以及第四1/4波片，所述第一半波片设置在第一激光器与第一偏振分光棱镜的之间，所述第二半波片设置在第二激光器与第一偏振分光棱镜之间，所述第三半波片设置在第三激光器与第二偏振分光棱镜之间，所述第四半波片设置在光电探测器与第二偏振分光棱镜之间，所述第一1/4波片设置在第一偏振分光棱镜与第一反射镜之间，所述第二1/4波片设置在第一偏振分光棱镜与真空系统之间，所述第三1/4波片设置在第二偏振分光棱镜与第二反射镜之间，所述第四1/4波片设置在第二偏振分光棱镜与真空系统之间。
作为一种优选方案，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜作为光路分束器或光路合束器，所述第一反射镜和第二反射镜用于调整光路方向和相位补偿。
作为一种优选方案，所述真空系统为真空腔。
作为一种优选方案，所述第一激光器、第二激光器和第三激光器均采用DL100半导体激光器。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)搭建真空系统，在真空系统的中心获得冷原子团，并制备至四波混频的基态；
2)第一激光器产生的参考光注入干涉仪中，先经过第一半波片，再经第一偏振分光棱镜分成两路，其中一路依次经过第一反射镜、第二反射镜后，与另一路一起经第二偏振分光棱镜合成一路，进入光电探测器探测光强；根据光电探测器的信号，通过反馈电路控制压电陶瓷来调整第一反射镜和第二反射镜的位置，稳定干涉仪两路相位差；
3)第二激光器产生的耦合光经过第二半波片，再经第一偏振分光棱镜分成两路，两路光路分别经过第一1/4波片和第二1/4波片，与参考光重合，注入冷原子团中，这两路光路与冷原子团的长轴形成小夹角；第三激光器产生的泵浦光经过第三半波片，再经第二偏振分光棱镜分成两路，两路光路分别经过第三1/4波片和第四1/4波片，与耦合光相对入射，光路重合；
4)耦合光和泵浦光分别与冷原子团作用，形成四波混频过程，发射出一个斯托克斯光子和一个反斯托克斯光子，根据四波混频过程要满足能量守恒、角动量守恒、动量守恒，成对产生的斯托克斯光子和反斯托克斯光子时间和频率纠缠，偏振与耦合光和泵浦光匹配；同时，耦合光与反斯托克光子形成的三能级电磁诱导透明效应，将压窄所产生纠缠光子对的线宽，而得到亚自然线宽纠缠光子对；
5)当两路耦合光和泵浦光同时存在时，调整干涉仪两路的相位差，设置好耦合光和泵浦光的偏振，获得所需亚自然线宽偏振纠缠光子对。
作为一种优选方案，步骤4)所述形成四波混频过程，发射出一个斯托克斯光子和一个反斯托克斯光子，具体如下：
在冷原子团长轴方向，在泵浦光的作用下，使一个原子从原子基态跃迁到激发态，通过自发辐射发射一个斯托克斯单光子，原子回到另外一个基态，在耦合光的作用下，引起拉曼跃迁过程，原子立刻跃迁到另外一个激发态，并发射一个反斯托克斯光子。
作为一种优选方案，所述方法还包括：
在冷原子团扩散前，通过关闭第二激光器、第三激光器，停止发射耦合光和泵浦光，返回步骤1)进行下一次制备。
作为一种优选方案，所述冷原子团通过激光器产生冷却光来获得，且在步骤3)之前关闭该产生冷却光的激光器，使冷原子团自由扩散，制造光子对产生窗口。
作为一种优选方案，产生冷却光的激光器采用TA100半导体激光器。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪，可以通过四波混频过程产生光子对偏振纠缠，并且反斯托克斯光子线宽低于自然线宽，第一次产生了亚自然线宽偏振纠缠光子对，其适用于远距离的量子通信和量子存储，解决了现有技术光子偏振态的储存效率低下，难以用于量子储存器中的问题。
2、本发明干涉仪所产生的亚自然线宽偏振纠缠光子对，具有长的相干时间和可编码的光子偏振态，是远距离量子通信网络中理想的飞行比特载体。
附图说明
图1为本发明的干涉仪结构示意图。
图2为本发明的四波混频能级示意图。
其中，1-真空系统，2-第一激光器，3-第二激光器，4-第三激光器，5-光电探测器，6-第一偏振分光棱镜，7-第二偏振分光棱镜，8-第一反射镜，9-第二反射镜，10-第一半波片，11-第二半波片，12-第三半波片，13-第四半波片，14-第一1/4波片，15-第二1/4波片，16-第三1/4波片，17-第四1/4波片，18-冷原子团，19-泵浦光，20-基态，21-激发态，22-耦合光，23-另外一个基态，24-另外一个激发态，25-斯托克斯光子，26-反斯托克斯光子。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例的干涉仪为马赫-曾德尔干涉仪，包括真空系统1、第一激光器2、第二激光器3、第三激光器4、光电探测器5、第一偏振分光棱镜6、第二偏振分光棱镜7、第一反射镜8、第二反射镜9、四个半波片以及四个1/4波片，四个半波片分别为第一半波片10、第二半波片11、第三半波片12以及第四半波片13，四个1/4波片分别为第一1/4波片14、第二1/4波片15、第三1/4波片16以及第四1/4波片17；
所述真空系统1的中心产生冷原子团18，所述第一偏振分光棱镜6和第二偏振分光棱镜7作为光路分束器或光路合束器；所述第一激光器2用于产生参考光，所述第二激光器3用于产生耦合光，所述第一激光器2产生的参考光与第二激光器3产生的耦合光均对准第一偏振分光棱镜6，且参考光的光路方向与耦合光的光路方向相互垂直；所述第三激光器4用于产生泵浦光，且产生的泵浦光对准第二偏振分光棱镜7，所述光电探测器5设置在第二偏振分光棱镜7合束的光路出射端并对光强进行探测；
所述第一反射镜8设置在第一偏振分光棱镜6分束的其中一路光路中，所述第二反射镜9设置在第二偏振分光棱镜7分束的其中一路光路中，第一反射镜8和第二反射镜9均用于调整光路方向和相位补偿，所述第一偏振分光棱镜6、第一反射镜8分别与第二偏振分光棱镜7、第二反射镜9关于真空系统1对称。
所述第一半波片10设置在第一激光器2与第一偏振分光棱镜6的之间，所述第二半波片11设置在第二激光器3与第一偏振分光棱镜6之间，所述第三半波片12设置在第三激光器4与第二偏振分光棱镜7之间，所述第四半波片13设置在光电探测器5与第二偏振分光棱镜7之间，所述第一1/4波片14设置在第一偏振分光棱镜6与第一反射镜8之间，所述第二1/4波片15设置在第一偏振分光棱镜6与真空系统1之间，所述第三1/4波片16设置在第二偏振分光棱镜7与第二反射镜9之间，所述第四1/4波片17设置在第二偏振分光棱镜7与真空系统1之间。
如图2所示，本实施例的四波混频过程中，泵浦光19作用在基态20能级，将原子跃迁到激发态21能级，耦合光22作用在另外一个基态23能级和另外一个激发态24能级之间，两个能级耦合，引起拉曼跃迁过程，从而产生斯托克斯光子25和反斯托克斯光子26。
如图1和图2所示，本实施例的干涉仪产生亚自然线宽偏振纠缠光子对的方法，包括以下步骤：
1)搭建真空系统1，通过一激光器(图中未示出)产生冷却光，在真空系统1的中心获得长条型冷原子团18，并制备至四波混频的基态20，本实施例采用铷原子；
2)第一激光器2产生的参考光注入干涉仪中，先经过第一半波片10，再经第一偏振分光棱镜6分成两路，其中一路依次经过第一反射镜8、第二反射镜9后，与另一路一起经第二偏振分光棱镜7合成一路，进入光电探测器5探测光强，其光路如图1中的虚线所示；根据光电探测器5的信号，通过反馈电路控制压电陶瓷来调整第一反射镜8和第二反射镜9的位置，稳定干涉仪两路相位差；
3)关闭产生冷却光的激光器，使冷原子团18自由扩散，制造光子对产生窗口；
4)第二激光器3产生的耦合光22经过第二半波片11，再经第一偏振分光棱镜6分成两路，两路光路分别经过第一1/4波片14和第二1/4波片15，与参考光重合，注入冷原子团18中，这两路光路与冷原子团18的长轴形成小夹角；第三激光器4产生的泵浦光19经过第三半波片12，再经第二偏振分光棱镜7分成两路，两路光路分别经过第三1/4波片16和第四1/4波片17，与耦合光22相对入射，光路重合；耦合光22光路与泵浦光19的光路如图1中的空心直线所示；
5)耦合光22和泵浦光19分别与冷原子团18作用，形成四波混频过程，发射出一个斯托克斯光子25和一个反斯托克斯光子26，具体为：
在冷原子团18长轴方向，在泵浦光19的作用下，使一个原子从原子基态20跃迁到激发态21，通过自发辐射发射一个斯托克斯单光子25，原子回到另外一个基态23，在耦合光22的作用下，引起拉曼跃迁过程，原子立刻跃迁到另外一个激发态24，并发射一个反斯托克斯光子26；
由于整个四波混频过程要满足能量守恒、角动量守恒、动量守恒，成对产生的斯托克斯光子25和反斯托克斯光子26时间和频率纠缠，偏振与耦合光22和泵浦光19匹配；同时，由于耦合光22与反斯托克光子26形成的三能级电磁诱导透明效应，将压窄所产生纠缠光子对的线宽，而得到亚自然线宽纠缠光子对；
6)当两路耦合光22和泵浦光19同时存在时，调整干涉仪两路的相位差，设置好耦合光22和泵浦光19的偏振，获得所需亚自然线宽偏振纠缠光子对；
7)在冷原子团18扩散前，通过关闭第二激光器3、第三激光器4，停止发射耦合光22和泵浦光19，返回步骤1)进行下一次制备，可以重复执行。
上述步骤制备得到的斯托克斯光子和反斯托克斯光子为亚自然线宽偏振纠缠光子对，其适用于远距离的量子通信和量子存储。
上述实施例中，真空系统为真空腔，产生冷却光的激光器采用TA100半导体激光器，第一激光器、第二激光器和第三激光器均采用DL100半导体激光器。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如冷原子团还可以为原子气体，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。