一种三光学腔耦合系统及基于该系统的量子调控方法

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明属于光学耦合腔的量子调控领域，具体涉及一种三光学腔耦合系统，及基于该系统的量子调控方法。背景技术：2.量子计算与量子通信是目前备受关注的技术。其中量子计算是利用量子态的相干、纠缠以及不可克隆等特点来实现类似演化编码量子态等计算任务。由于量子态具有相干叠加等特性，所以量子计算的并行规模是不受限制的，这也是很多经典计算不能实现的。而量子通信则主要是利用量子力学特性对信息进行存储和传输。经典的量子通信包括量子隐形传态、量子密匙分配和量子密集编码等。3.在进行以上领域的相关研究时，量子系统的操控是一个至关重要的环节。从量子信息科学到量子模拟再到量子传感，对量子系统实现精准的操控是量子科学许多领域的一个基本目标。控制一个系统的量子态是至关重要的，因为它是后续计算或模拟的准备步骤，或作为目标本身，如绝热量子计算。4.量子信息处理的基本单元是量子比特，它可以存在于任意的双量子态体系中，比如光子、声子、原子。其中又因为光子具有较强的稳定性和较快的速度等特点，所以光系统就成为了量子信息处理的理想载体之一。另外，在传统的光电领域中，光作为载体已经有了比较成熟的应用。因此，人们希望通过光来实现能够应用于量子信息处理的量子光学器件。在这些量子器件中，光的传输或存储可以被控制，这就使得信息编码后的光信号对环境的扰动变得不再敏感。也正是如此，人们对光学系统的量子操控的研究也成为了当前量子物理和量子信息研究的主要方向之一。光学耦合腔可以用于制备合适强度的光场，光场的产生是量子通信和量子计算的基础，光场的特性是实现量子通信的必要基础。但现有基于光器件的量子编码以及量子调控方法都是利用分离变量的方法，所以导致编码效率低，这也是限制量子编码在现有阶段实用性不足的主要原因。技术实现要素：5.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种三光学腔耦合系统和量子调控方法。6.本发明采用的技术方案是，一种三光学腔耦合系统，包括入射腔镜m4、出射腔镜m1、中间腔镜m3和中间腔镜m2，中间腔镜m3和中间腔镜m2位于入射腔镜m4和出射腔镜m1之间，且每个腔镜之间的距离固定，构成三光学腔耦合，入射光场ain通过入射腔镜m4进入到三光学腔耦合中，并在三光学腔耦合中经过多次反射，形成反射光场aref再通过入射腔镜m4反射出来。7.进一步，所述三光学腔中入射腔镜m4和中间腔镜m3构成入射腔c3，中间腔镜m3和中间腔镜m2构成中间腔c2，中间腔镜m2和出射腔镜m1构成出射腔c1。8.进一步，所述三光学腔的耦合强度由中间腔镜m3和中间腔镜m2的反射系数决定。9.进一步，所述入射腔镜m4的反射系数r42＝0.96，出射腔镜m1的反射系数r12＝0.98。10.进一步，所述中间腔镜m3的反射系数大于或等于中间腔镜m2的反射系数。11.进一步，所述入射腔镜m4和出射腔镜m1为平面镜，中间腔镜m3和中间腔镜m2为凹面镜。在所述出射腔镜m1、中间腔镜m3和中间腔镜m2上均设置有压电陶瓷，以调节各个腔镜的相对位置保持不变。12.本发明还提供一种基于三光学腔耦合系统的量子调控方法，包括以下步骤：13.步骤一，构建上述的三光学腔耦合系统；14.步骤二，改变中间腔镜m3和中间腔镜m2的反射系数来改变整个三光学腔耦合系统的耦合强度；包括：15.当入射光场ain进入到三光学腔耦合系统时，保证中间腔镜m3和中间腔镜m2的反射系数足够大，以此保证初始时的光学腔的耦合强度较小。16.当入射光场ain进入三光学腔耦合系统后，将中间腔镜m3和中间腔镜m4的反射系数逐渐减小，且保证中间腔镜m3的反射系数大于或等于中间腔镜m2的反射系数。17.在中间腔镜m3和中间腔镜m2的反射系数不断减小时，三光学腔耦合系统的耦合强度不断增大，其反射光场aref的量子噪声谱也呈现出不同的特性。18.步骤三，得到耦合腔反射光场的量子噪声曲线：真空压缩场注入的光学腔耦合反射场的正交振幅分量的噪声起伏为：[0019][0020][0021]正交相位分量的噪声起伏为：[0022][0023]其中为输出场的湮灭算符，为输出场的产生算符，为输出场正交振幅算符，为输出场正交位相算符，ρ为反射场的振幅函数，θ为反射场的位相函数，为输入场的正交振幅算符，为输入场的正交位相算符，ω0表示量子场的中心频率，ω表示测量频率。δ2表示压缩算符，i为虚数单位。[0024]本发明的技术方案具有以下有益效果：[0025](1)对于光学腔镜而言，其反射率灵活可控，通过调节耦合腔中间腔镜的反射系数，可以改变反射光场的量子噪声特性，不同的反射系数下会呈现出不同的量子噪声特性，增强了量子调控的可操作性。[0026](2)光学腔耦合系统制造方便、结构紧凑、可控性强。由于整个系统的耦合强度是可以通过改变中间腔镜的反射率来控制的，因此在耦合腔量子调控的基础上，可以将该技术推广至其他领域。且由于目前量子通信尚在发展中，该技术或许能够帮助量子通信的进一步发展。附图说明[0027]图1为三光学腔耦合结构示意图；[0028]图2为本发明方法的技术流程图；[0029]图3为本发明方法的具体实施方式图；[0030]图4为具体实施中在该调控下反射光场的量子噪声曲线；[0031]其中：1-入射腔镜m4；2-出射腔镜m1；3-中间腔镜m3；4-中间腔镜m2；5-入射光场ain；6-反射光场aref。具体实施方式[0032]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0033]如图2所示，本发明具体包括以下步骤：[0034]步骤一，搭建一个三光学腔耦合系统，包括入射腔镜m4、出射腔镜m1、中间腔镜m3、中间腔镜m2。入射光场ain5经由入射腔镜进入到耦合光学腔系统中，在经中间腔镜m3和m2产生反射和折射后，反射光场aref6再由入射腔镜m4出射，而投射光场at则通过出射腔镜m1射出，如图1所示。最后通过分析反射光场的噪声系数，得到其量子噪声曲线。[0035]入射腔镜m4和中间腔镜m3构成入射腔镜c3，中间腔镜m3和中间腔镜m2构成中间腔镜c2，中间腔镜m2和出射腔镜m1构成出射腔镜c1。且在实验中除入射腔镜外的其他腔镜后都附有一个压电陶瓷，压电陶瓷的作用是调节各个腔镜的相对位置保持不变。[0036]当入射光场经过入射腔镜进入到三光学腔耦合中时，为了防止形成过耦合腔，应该使中间腔镜m3的反射系数大于中间腔镜m2的反射系数。且在开始的时候，防止耦合强度过大，应保证中间腔镜的反射系数都处于一个较高的数值。然后再通过调节中间腔镜的反射系数，使耦合腔系统的耦合强度慢慢增大。通过观测反射光场，可以得到其量子噪声曲线。[0037]步骤2，在步骤1的三光学腔耦合系统中注入真空压缩光，且由于入射光的缘故，入射腔镜、中间腔镜以及出射腔镜之间会相互耦合，从而形成三耦合光学腔系统。[0038]当入射光场ain 5进入到三光学腔耦合系统时，保证中间腔镜m3和中间腔镜m2的反射系数足够大，以此保证初始时的光学腔的耦合强度较小。[0039]当入射光场ain 5进入三光学腔耦合系统后，将中间腔镜m3和中间腔镜m4的反射系数逐渐减小，且保证中间腔镜m3的反射系数大于或等于中间腔镜m2的反射系数。[0040]在中间腔镜m3和中间腔镜m2的反射系数不断减小时，三光学腔耦合系统的耦合强度不断增大，其反射光场aref的量子噪声谱也呈现出不同的特性。[0041]步骤3，根据相关理论我们可得腔c1的反射系数r1为：[0042][0043]φ1表示c1腔内一周的相位变化，r2为m2镜的反射率，r1为m1镜的反射率，α1表示在c1腔内往返一周的损耗，i为虚数单位。[0044]进一步的，根据迭代公式得到由m1、m2和m3所组成的耦合腔的反射系数r2为：[0045][0046]φ2表示c2腔内一周的相位变化，r3为m3镜的反射率，α2表示在c2腔内往返一周的损耗。[0047]进一步的，考虑整个耦合腔系统，我们只需将将后面的腔c1和c2作为一个整体腔镜考虑，可得到整个耦合光学腔的反射系数r3为：[0048][0049]其中表示在腔内一周的相位变化，lj为腔长，ω表示腔中信号光的频率，nj表示光在腔中的折射率，aj表示腔内往返一周的损耗，j＝1、2、3表示相应的光学腔，c表示真空中的光速。[0050]步骤4，根据步骤3中的公式，我们可以得知整个耦合腔系统的反射系数受到各腔镜反射系数的影响，所以我们保持入射腔镜和出射腔镜的反射系数不变，通过改变两个中间腔镜的反射系数来改变耦合腔系统的反射系数。[0051]步骤5，根据耦合光学腔反射场的振幅和相位函数：[0052][0053]ρ表示振幅变化，θ表示相位变化，abs表示算法公式。[0054]进一步的，由于在量子场中的湮灭算符和产生算符的表达式如下所示：[0055][0056]为湮灭算符，为产生算符。[0057]进一步的，其中和分别表示光场的正交振幅和正交相位算符，且由于它们是一对共轭量，满足对易关系所以它们的量子起伏满足海森堡不确定关系：[0058][0059]δ2为压缩算符。[0060]进一步的，这就决定了我们不能够同时精确的测定光场的正交振幅和相位分量，肯定会有一定的不确定度。这种由不确定关系所带来的量子起伏即量子噪声的极限就是散粒噪声极限(shot noise limit,简写为snl)或标准量子极限(standard quantum limit,简写为sql)：[0061][0062]进一步的，我们可以得到：[0063][0064]步骤6，由于我们对于噪声的研究是在频域中进行的，进一步的，我们需要对量子场的产生算符和湮灭算符进行傅里叶变换，得到：[0065][0066][0067]ω表示测量频率。[0068]进一步的，由此得到频域中的量子振幅和相位分量分别为：[0069][0070][0071]表示输出场在测量频率处的正交振幅算符，表示表示输出场在测量频率处的正交相位算符，表示输出场在测量频率处的量子湮灭算符，表示表示输出场在测量频率处的量子产生算符。[0072]进一步的，可以得到：[0073][0074][0075]其中表示光学耦合腔后腔镜带入的真空损耗项，而ω0表示的是量子场的中心频率，ω是测量频率，ρ为反射场的振幅函数，为输入场的湮灭算符，为输入场的产生算符，为真空损耗项的产生算符。[0076]进一步的，我们可以得到真空压缩场注入的耦合光学腔反射场的正交振幅分量的噪声起伏为：[0077][0078][0079]为输入场的正交振幅算符，为输入场的正交位相算符，为输入场损耗项的正交振幅算符，为输入场损耗项的正交相位算符。[0080]步骤7，根据上述得到振幅分量的噪声起伏的原理，我们同样可以得到正交相位分量的噪声起伏：[0081][0082][0083]根据以上分析，利用上述三光学腔耦合系统进行量子调控的具体实验过程如图3所示，包括以下步骤：[0084]步骤1，利用激光器输出220mw左右的532nm绿光和60mw左右的1064nm红外光；[0085]步骤2：将出射的1064nm光和532nm光进行分束后注入模式清洁系统进行模式清洁；[0086]步骤3：将模式清洁器的透射光的一小部分作为锁腔的信号光使用，锁腔后模式清洁器的出射光束分为两束，其中较强的一束作为平衡零拍探测时的本征光使用，另一束1064nm光进行模式调节后作为校准光注入dopo系统并在其中发生共振，532nm绿光作为泵浦光和1064nm光合并后注入dopo腔；[0087]步骤4：dopo系统的出射光经过透镜组调节后注入光学腔耦合系统中，其反射场有隔离器提取后送入探测系统进行探测记录；[0088]步骤5：首先我们考察弱耦合作用强度下系统的类eit特性，在经典场中，由于此时使用相干光作为类eit系统的入射光，所以我们先挡住532nm绿光，只让1064nm光射进dopo系统，调节光路和1064nm光的模式使其在dopo腔中进行共振，然后将dopo腔的模式锁定在tem00模上，其出射光注入光学腔耦合系统在其中发生类eit效应，然后使用探测器对隔离器分离出的反射场进行探测；[0089]步骤6：接着我们考虑压缩光场注入的光学腔耦合的类eit特性，此时我们挡住1064nm红外光，打开532nm的泵浦光，让其注入dopo腔的入射腔镜后穿过ppktp晶体发生非线性转换，并使用温度控制仪控制晶体温度使其工作在非线性效率最高处，然后调节光路使dopo腔产生的真空压缩光射入光学腔耦合系统中，考察三个光学腔组成光学腔耦合系统时的量子特性，用隔离器提取其反射场，使用透镜组调节反射场的模式使其和本振光的干涉效率达到94％以上，再使用平衡零拍探测系统进行噪声谱的测量研究；[0090]在本实施例中，设定入射腔镜的反射系数r42＝0.96，出射腔镜的反射系数r12＝0.98，且将其一直保持在这个固定的值。且将两个中间腔镜的初试反射系数分别设为r22＝0.99999、r32＝0.9999999。然后改变r22、r32的值，使r22的变化范围为0.99999～0.9、r32的变化范围为0.9999999～0.9，由此得到的反射光场量子噪声曲线如图4所示(左边为正交振幅分量的噪声曲线，右边为正交相位分量的噪声曲线)。对于不同耦合强度的情况下，其反射光场的量子噪声曲线也呈现出完全不同的特性。当最后r22＝0.9、r32＝0.9时，可以看到反射光场的量子噪声特性曲线(包括正交振幅分量的噪声曲线以及正交相位分量的噪声曲线)呈现为三个独立的带劈裂的洛伦兹曲线(正交振幅分量的噪声曲线)和三个倒置的带劈裂的洛伦兹曲线(正交相位分量的噪声曲线)。由此可以实现对光学腔耦合的反射光场进行量子调控。[0091]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。









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