本技術涉及量子糾纏源發(fā)射領域，特別涉及一種基于光柵和完美渦旋超表面的糾纏光源的制備方法及裝置。

背景技術：

1、糾纏光子源是量子通信、量子計算和量子密碼學等領域的核心資源。糾纏光子對具有非經(jīng)典的量子關聯(lián)特性，能夠實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分發(fā)等應用。

2、傳統(tǒng)糾纏光子源的實現(xiàn)，主要依賴非線性晶體，實現(xiàn)泵浦光與下轉換光子之間的相位匹配，隨后使用單光子探測器對信號光子和閑置光子進行探測，通過符合計數(shù)技術驗證光子對的糾纏特性，盡管傳統(tǒng)spdc技術已廣泛應用于糾纏光子源的產(chǎn)生，但仍存在一些局限性：如晶體的非線性過程轉化效率較低，需要高功率光入射，且相位匹配條件敏感，對溫度、濕度等環(huán)境條件均敏感，同樣糾纏光子角度范圍也受限等，由此亟需一種新的糾纏光資源發(fā)生方案。

3、基于此，提出本技術。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述的技術問題，本技術的目的是提供一種基于光柵和完美渦旋超表面的糾纏光源的制備方法及設備。

2、在本技術的第一方面，提供一種基于光柵和完美渦旋超表面的糾纏光源的制備方法，在一個總發(fā)明構思下，包括：

3、提供一高斯光束，將高斯光束沿特定偏振方向線偏振后經(jīng)由周期極化鈦酸鉀晶體產(chǎn)生信號光和閑置光；

4、將光子準直后，經(jīng)1/4波片改變信號光與閑置光的偏振態(tài)，分別將信號光和閑置光轉化為右旋和左旋圓偏振；

5、高斯光束通過完美渦旋超表面以獲得隨空間變化的幾何相位；

6、再經(jīng)過一維光柵，左右旋兩個完美渦旋光發(fā)生分離以輸出重疊部分糾纏態(tài)；

7、分別將兩路中的光子耦合到光纖中，并傳輸至單光子探測器中記錄符合數(shù)。

8、具體地，首先提供一高斯光束，將高斯光束沿特定偏振方向線偏振，并經(jīng)過第一透鏡聚焦入射至周期極化鈦酸鉀晶體，以在非線性光學效應下完成自發(fā)參量下轉換，產(chǎn)生信號光和閑置光；通過第二透鏡，將信號光與閑置光準直，以使其在輸出平面相互重疊，通過1/4波片改變信號光與閑置光的偏振態(tài)，其中將信號光由水平偏振變?yōu)橛倚龍A偏振，將閑置光由垂直偏振變?yōu)樽笮龍A偏振；提供完美渦旋超表面，其中完美渦旋超表面的光軸方向沿角向周期性變化，經(jīng)1/4波片后的高斯光束通過完美渦旋超表面以獲得隨空間變化的幾何相位，其中，信號光由右旋圓偏振的高斯光束變?yōu)樽笮龍A偏振的貝塞爾高斯光束，閑置光由左旋圓偏振的高斯光束變?yōu)橛倚龍A偏振的貝塞爾高斯光束；通過第三透鏡對左旋圓偏振的貝塞爾高斯光束以及右旋圓偏振的貝塞爾高斯光束進行傅里葉變換，在焦平面上得到重合的完美渦旋光束；提供一維光柵，一維光柵光軸方向沿y軸方向周期性變化，信號光與閑置光通過第二pb相位超表面，分別在實空間產(chǎn)生沿y軸正、負方向的動量差δky以使其沿y方向分離，以輸出所制備的糾纏態(tài)。

9、在本技術進一步的方案中，將高斯光束沿特定偏振方向線偏振，包括；提供一格蘭偏振器和半波片，以調節(jié)高斯光束為水平偏振，并通過半波片對高斯光束的偏振態(tài)進行微調。

10、在本技術進一步的方案中，在步驟s20中，第一透鏡為聚焦透鏡，以將光束聚集至周期極化鈦酸鉀晶體的中心處入射；第二透鏡為準直透鏡，第一透鏡和第二透鏡構成4f系統(tǒng)。

11、經(jīng)過周期極化鈦酸鉀晶體，產(chǎn)生的信號光與閑置光由第二透鏡準直后，表示為

12、es1＝(ex?ey)t＝eg(x,y)(1?0)t

13、ei1＝(ex?ey)t＝eg(x,y)(0?1)t

14、

15、其中，

16、是高斯光束的束腰寬度，z是傳播距離。

17、在本技術進一步的方案中，步驟s40還包括：步驟s41、使用分光棱鏡將經(jīng)由一維光柵后的糾纏光子分為兩路；步驟s42、在其中一路中設置第四透鏡，另一路上設置第五透鏡，以分別對兩路的糾纏光子準直。

18、在本技術進一步的方案中，糾纏光源的制備方法還包括：步驟s51、在其中一路中設置第一帶通濾光片，以去除經(jīng)由第四透鏡后光束中的非測量波長的光子；在另一路中設置第二帶通濾光片，以去除經(jīng)由第五透鏡后光束中的非測量波長的光子；步驟s52、使用光纖耦合器分別將兩路中的信號光子與閑置光子耦合到光纖中，并傳輸至單光子探測器中記錄符合數(shù)。

19、在本技術進一步的方案中，完美渦旋超表面具備π的相位延遲，周期為2π；一維光柵具備π相位延遲，周期為n?mm，優(yōu)選300mm；

20、第一個超表面光軸與x軸夾角為：

21、

22、其中，arg為復數(shù)輻角，是0階貝塞爾-高斯光束電場分布，ρ是極徑，φ是極角，q為超表面拓撲荷數(shù)，α0為超表面光軸初始取向角，一般取0。

23、是0階貝塞爾-高斯光束。l階貝塞爾-高斯光束的復振幅為：

24、

25、其中，exp為自然指數(shù)函數(shù)，jl(x)為l階第一類貝塞爾函數(shù)，

26、其中γ(n)為伽馬函數(shù)，n為正整數(shù)時γ(n)＝(n-1)！，w0是高斯光束束腰寬度。

27、第二個超表面光軸與x軸夾角為：

28、

29、其中，d為超表面周期，ω為相位梯度。

30、在本技術進一步的方案中，其中，所采用完美渦旋光束的理想模型為：

31、e(r,φ)＝δ(r-r0)exp(ilφ)

32、其中，δ(r)為狄拉克函數(shù)，r為極徑，r0為光斑半徑，i為虛數(shù)單位，l為完美渦旋光束的拓撲荷數(shù)。

33、通過第三透鏡對左旋圓偏振的貝塞爾高斯光束以及右旋圓偏振的貝塞爾高斯光束進行傅里葉變換，在焦平面上得到重合的完美渦旋光束表示為：

34、

35、其中，r0＝kρf/k為圓環(huán)狀光斑的半徑，w＝2f/kw0為透鏡焦平面上高斯光束的束腰寬度，其中f為透鏡焦距，k為波數(shù)，kρ為波數(shù)k在平行超表面方向上的投影。

36、信號光與閑置光通過第二pb相位超表面后為：

37、

38、最終制備的糾纏態(tài)輸出為：

39、

40、本技術第二方面還提供一種基于超表面的糾纏光源設備，包括：聚焦光路裝置，包括激光光源、格蘭偏振器、半波片、第一透鏡以及周期極化鈦酸鉀磷晶體，激光光源能夠發(fā)射高斯光束，格蘭偏振器用于調整高斯光束的偏振態(tài)，半波片對高斯光束的偏振態(tài)進行微調后，經(jīng)由第一透鏡聚焦入射至周期極化鈦酸鉀晶體，以在非線性光學效應下完成自發(fā)參量下轉換，產(chǎn)生信號光和閑置光；信號光與閑置光準直光路裝置，包括第二透鏡以及1/4波片，第二透鏡將信號光與閑置光準直，以使其在輸出平面相互重疊，1/4波片改變信號光與閑置光的偏振態(tài)，其中將信號光由水平偏振變?yōu)橛倚龍A偏振，將閑置光由垂直偏振變?yōu)樽笮龍A偏振；基于超表面的完美渦旋光束產(chǎn)生光路裝置，包括完美渦旋超表面以及第三透鏡，其中完美渦旋超表面的光軸方向沿角向周期性變化，經(jīng)1/4波片后的高斯光束通過完美渦旋超表面以獲得隨空間變化的幾何相位，信號光由右旋圓偏振的高斯光束變?yōu)樽笮龍A偏振的貝塞爾高斯光束，閑置光由左旋圓偏振的高斯光束變?yōu)橛倚龍A偏振的貝塞爾高斯光束；第三透鏡用于對左旋圓偏振的貝塞爾高斯光束以及右旋圓偏振的貝塞爾高斯光束進行傅里葉變換，在焦平面上得到重合的完美渦旋光束；基于超表面的光分離光路裝置，包括一維光柵、分光棱鏡、第四透鏡、第五透鏡、第一帶通濾光片以及第二帶通濾光片，一維光柵光軸方向沿y軸方向周期性變化；信號光與閑置光通過第二pb相位超表面，分別在實空間產(chǎn)生沿y軸正、負方向的動量差δky以使其沿y方向分離，分光棱鏡將經(jīng)由一維光柵后的糾纏光子分為兩路，第四透鏡以及第一帶通濾光片設置于其中一路，第五透鏡以及第二帶通濾光片設置于另一路；糾纏光子的測量光路裝置，包括兩個光纖耦合器以及和光纖耦合器連接的單光子探測器，兩個光纖耦合器分別設置于兩路第一帶通濾光片、第二帶通濾光片的末端光路上，以記錄符合數(shù)。

41、在本技術進一步的方案中，第一透鏡為聚焦透鏡，以將光束聚集至周期極化鈦酸鉀晶體的中心處入射；第二透鏡為準直透鏡，第一透鏡和第二透鏡構成4f系統(tǒng)；

42、經(jīng)過周期極化鈦酸鉀晶體，產(chǎn)生的信號光與閑置光由第二透鏡準直后，表示為

43、es1＝(ex?ey)t＝eg(x,y)(1?0)t

44、ei1＝(ex?ey)t＝eg(x,y)(0?1)t

45、

46、其中，其中arctan為反正切函數(shù)，是高斯光束的束腰寬度，z是傳播距離。

47、在本技術進一步的方案中，完美渦旋超表面具備π的相位延遲，周期為2π；一維光柵具備π相位延遲，周期為n?mm，優(yōu)選300mm；第一個超表面光軸與x軸夾角為：

48、

49、是0階貝塞爾-高斯光束。l階貝塞爾-高斯光束的復振幅為：

50、

51、第二個超表面光軸與x軸夾角為：

52、

53、其中，d為超表面周期。

54、綜上，本技術總發(fā)明構思所提出基于光柵和完美渦旋超表面的糾纏光源的制備方法，具備至少以下技術效果：

55、1、通過超表面產(chǎn)生一種全新的糾纏源，實現(xiàn)用周期極化鈦酸鉀晶體代替bbo晶體，同時，溫度、濕度等環(huán)境條件限制更少，提高環(huán)境魯棒性，實現(xiàn)了準相位匹配(qpm)，使得非線性過程更加高效

56、2、本技術僅需要低功率的泵浦光即可實現(xiàn)高效的糾纏光子對產(chǎn)生；相對傳統(tǒng)方法需要高功率泵浦光才能達到相同的效率，而高功率泵浦光可能帶來熱效應和系統(tǒng)不穩(wěn)定性，本技術可使得非線性過程轉化效率更高。

57、3、不同于傳統(tǒng)糾纏光子源制備本裝置制備水平偏振態(tài)與垂直偏振態(tài)的糾纏態(tài)，本技術可制備左旋態(tài)與右旋態(tài)的糾纏態(tài)，對光學系統(tǒng)的旋轉不敏感，因此在自由空間量子通信中更具魯棒性，且圓偏振態(tài)可以更方便地與其他光學元件結合，實現(xiàn)更復雜的光子態(tài)操控。

58、4、通過超表面實現(xiàn)對光子態(tài)的精確調控，超表面的引入使得整體裝置更加緊湊和集成化。

59、本發(fā)明實施例的其他特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施實施例部分予以說明。