本发明涉及一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，属于连续变量纠缠蒸馏技术领域；提供了一种可靠性好、易于实现的连续变量原子纠缠蒸馏装置；技术方案：包括光源单元、第一、第二光纤通道、第一、第二光学斩波器、第一、第二原子系统和测量系统；光源单元分别与第一、第二光纤通道的输入端连接，第一、第二光纤通道的输出端分别与第一、第二光学斩波器输入端连接，第一、第二光学斩波器的输出端分别与第一、第二原子系统的第一输入端连接，光源单元分别与第一、第二原子系统的第二输入端连接，第一、第二原子系统的输出端分别与测量系统的第一、第二输入端连接，光源单元分别与测量系统的第三、第四输入端连接；本发明可应用于量子信息领域。
1.一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，其特征在于：包括光源单元、第一、第二光纤通道、第一、第二光学斩波器、第一、第二原子系统和测量系统；光源单元设有本地振荡光信号aL1和aL2的输出端、控制光脉冲信号aC1和aC2的输出端、探针光脉冲信号aP1和aP2的输出端；光源单元的探针光脉冲信号aP1和aP2的输出端分别与第一、第二光纤通道的输入端连接，第一、第二光纤通道的输出端分别与第一、第二光学斩波器输入端连接，第一、第二光学斩波器输出的探针光脉冲信号aP1和aP2分别与第一、第二原子系统的第一输入端连接，光源单元的控制光脉冲信号aC1和aC2的输出端分别与第一、第二原子系统的第二输入端连接，第一、第二原子系统的输出端分别与测量系统的第一、第二输入端连接，光源单元的本地振荡光信号aL1和aL2输出端分别与测量系统的第三、第四输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，其特征在于：所述光源单元包括可调谐激光器、1×3光学分束器阵列、EPR纠缠光源、五套声光调制系统和两个1×2光学分束器；
可调谐激光器的输出端与1×3光学分束器阵列的输入端连接，1×3光学分束器阵列的第一输出端和第一1×2光学分束器的输入端连接，第一1×2光学分束器输出本地振荡光信号aL1和aL2，1×3光学分束器阵列的第二输出端与第一声光调制系统的输入端连接，第一声光调制系统的输出端与第二声光调制系统的输入端连接，第二声光调制系统和第二1×2光学分束器输入端连接，第二1×2光学分束器输出控制光脉冲信号aC1和aC2，1×3光学分束器阵列的第三输出端与第三声光调制系统的输入端连接，第三声光调制系统的输出端与EPR纠缠光源的输入端连接，EPR纠缠光源的两个输出端分别与第四声光调制系统、第五声光调制系统的输入端连接，第四声光调制系统、第五声光调制系统的输出端分别输出探针光脉冲信号aP1和aP2。
3.根据权利要求1或2所述的一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，其特征在于：所述测量系统包括两套光学分束器、四套平衡零拍探测器、三套功率减法器和数字可存储示波器；所述第一原子系统输出的探针光脉冲a’P1和所述本地振荡光信号aL1在第一光学分束器内干涉，干涉信号通过第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器，第一功率减法器对释放的探针光脉冲a’P1的正交分量的量子噪声进行测量；所述第二原子系统输出的探针光脉冲a’P2和所述本地振荡光信号aL2在第二光学分束器内干涉，干涉信号通过第三平衡零拍探测器和第四平衡零拍探测器，第二功率减法器对释放的探针光脉冲a’ P2的正交分量的量子噪声进行测量；探针光脉冲a’P1和探针光脉冲a’ P2再通过第三功率减法器和数字可存储示波器对其关联噪声进行分析。
4.根据权利要求1或2所述的一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，其特征在于：所述测量系统包括两套光学分束器、四套平衡零拍探测器、二套功率减法器、功率加法器和数字可存储示波器；所述第一原子系统输出的探针光脉冲a’P1和所述本地振荡光信号aL1在第一光学分束器内干涉，干涉信号通过第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器，第一功率减法器对释放的探针光脉冲a’P1的正交分量的量子噪声进行测量；所述第二原子系统输出的探针光脉冲a’P2和所述本地振荡光信号aL2在第二光学分束器内干涉，干涉信号通过第三平衡零拍探测器和第四平衡零拍探测器，第二功率减法器对释放的探针光脉冲a’ P2的正交分量的量子噪声进行测量；探针光脉冲a’P1和探针光脉冲a’ P2再通过功率加法器和数字可存储示波器对其关联噪声进行分析。
5.根据权利要求1所述的一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，其特征在于：所述第一、第二光学斩波器的圆盘均分三个区域；第一区域的透过率为1，第二区域的透过率和存储效率相等，第三区域的透过率为0。
6.根据权利要求4所述的一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，其特征在于：所述第一原子系统包括第一原子气室、磁屏蔽系统和第一温控系统，磁屏蔽系统包括第一磁屏壁纸和第一磁屏蔽筒；第一原子气室内充有铷87原子气体和10Torr的缓冲惰性气体，在第一原子气室的通光面镀有相应激光波长的减反膜，第一原子气室的外层用第一磁屏蔽纸包裹，并且放置于由金属制成的第一磁屏蔽筒内，第一磁屏蔽筒的外层设置有由加热带、保温材料和控温仪器组成的第一温控系统对铷原子加热并且精确控温；所述第二原子系统的结构和所述第一原子系统的结构相同。
一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置
技术领域
[0001] 本发明一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，属于连续变量纠缠蒸馏技术领域。
背景技术
[0002] 在量子信息科学的发展中，量子网络是目前的研究热点之一。量子网络可以由光学量子通道和原子量子节点组成。其中，光是量子信息远距离传输的理想载体，以及可以用来实现量子节点之间的互联；原子系综由于具有光学厚度大和相干性好的优势，是用作量子节点的有效介质之一，可以实现量子信息的存储和处理。量子纠缠不仅可以用来研究量子力学的基本问题，而且是实现量子信息的核心资源。然而，环境退相干的作用将降低甚至破坏量子纠缠的质量。因此，在原子系综之间高质量的量子纠缠的获得，特别是远距离的原子系综纠缠的建立，都是极具挑战性的任务。
[0003] 纠缠蒸馏即从由于退相干引起的大量低纠缠度系统中提取出少量的高纠缠度子系统。纠缠蒸馏能够克服消相干影响，提高纠缠质量，甚至可以将远距离量子系统之间将消失的量子纠缠恢复。人们开展了一系列的对于光子或者光场的纠缠蒸馏的研究。在原子系统中，2006年，美国的Wineland研究组实现了非破坏的分离变量纠缠纯化，在Nature 443, 838 (2006)发表题为“Experimental purification of two-atom entanglement”的论文。
[0004] 以上研究工作实现了原子系综的量子纯化，解决了原子系综之间纠缠提高的问题，但在上述方法中一旦纯化操作失败将破坏了原子之间的量子纠缠，需要多次重新制备原子纠缠来用于纠缠纯化，存在着原子纠缠制备成本高的技术问题。
发明内容
[0005] 本发明一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，克服了现有技术存在的不足，提供了一种可靠性好、易于实现的连续变量原子纠缠蒸馏装置。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，包括光源单元、第一、第二光纤通道、第一、第二光学斩波器、第一、第二原子系统和测量系统；光源单元设有本地振荡光信号aL1和aL2的输出端、控制光脉冲信号aC1和aC2的输出端、探针光脉冲信号aP1和aP2的输出端；光源单元的探针光脉冲信号aP1和aP2的输出端分别与第一、第二光纤通道的输入端连接，第一、第二光纤通道的输出端分别与第一、第二光学斩波器输入端连接，第一、第二光学斩波器输出的探针光脉冲信号aP1和aP2分别与第一、第二原子系统的第一输入端连接，光源单元的控制光脉冲信号aC1和aC2的输出端分别与第一、第二原子系统的第二输入端连接，第一、第二原子系统的输出端分别与测量系统的第一、第二输入端连接，光源单元的本地振荡光信号aL1和aL2输出端分别与测量系统的第三、第四输入端连接。
[0007] 进一步，所述光源单元包括可调谐激光器、1×3光学分束器阵列、EPR纠缠光源、五套声光调制系统和两个1×2光学分束器。可调谐激光器的输出端与1×3光学分束器阵列的输入端连接，1×3光学分束器阵列的第一输出端和第一1×2光学分束器的输入端连接，第一1×2光学分束器输出本地振荡光信号aL1和aL2，1×3光学分束器阵列的第二输出端与第一声光调制系统的输入端连接，第一声光调制系统的输出端与第二声光调制系统的输入端连接，第二声光调制系统和第二1×2光学分束器输入端连接，第二1×2光学分束器输出控制光脉冲信号aC1和aC2，1×3光学分束器阵列的第三输出端与第三声光调制系统的输入端连接，第三声光调制系统的输出端与EPR纠缠光源的输入端连接，EPR纠缠光源的两个输出端分别与第四声光调制系统、第五声光调制系统的输入端连接，第四声光调制系统、第五声光调制系统的输出端分别输出探针光脉冲信号aP1和aP2。
[0008] 进一步，所述测量系统包括两套光学分束器、四套平衡零拍探测器、三套功率减法器和数字可存储示波器；所述第一原子系统输出的探针光脉冲a’P1和所述本地振荡光信号aL1在第一光学分束器内干涉，干涉信号通过第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器，第一功率减法器对释放的探针光脉冲a’P1的正交分量的量子噪声进行测量；所述第二原子系统输出的探针光脉冲a’P2和所述本地振荡光信号aL2在第二光学分束器内干涉，干涉信号通过第三平衡零拍探测器和第四平衡零拍探测器，第二功率减法器对释放的探针光脉冲a’ P2的正交分量的量子噪声进行测量；探针光脉冲a’P1和探针光脉冲a’ P2再通过第三功率减法器和数字可存储示波器对其关联噪声进行分析。
[0009] 进一步，所述测量系统包括两套光学分束器、四套平衡零拍探测器、二套功率减法器、功率加法器和数字可存储示波器；所述第一原子系统输出的探针光脉冲a’P1和所述本地振荡光信号aL1在第一光学分束器内干涉，干涉信号通过第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器，第一功率减法器对释放的探针光脉冲a’P1的正交分量的量子噪声进行测量；所述第二原子系统输出的探针光脉冲a’P2和所述本地振荡光信号aL2在第二光学分束器内干涉，干涉信号通过第三平衡零拍探测器和第四平衡零拍探测器，第二功率减法器对释放的探针光脉冲a’ P2的正交分量的量子噪声进行测量；探针光脉冲a’P1和探针光脉冲a’ P2再通过功率加法器和数字可存储示波器对其关联噪声进行分析。
[0010] 进一步，所述第一、第二光学斩波器的圆盘均分三个区域；第一区域的透过率为1，第二区域的透过率和存储效率相等，第三区域的透过率为0。
[0011] 进一步，所述第一原子系统包括第一原子气室、磁屏蔽系统和第一温控系统，磁屏蔽系统包括第一磁屏壁纸和第一磁屏蔽筒；第一原子气室内充有铷87原子气体和10Torr的缓冲惰性气体，在第一原子气室的通光面镀有相应激光波长的减反膜，第一原子气室的外层用第一磁屏蔽纸包裹，并且放置于由金属制成的第一磁屏蔽筒内，第一磁屏蔽筒的外层设置有由加热带、保温材料和控温仪器组成的第一温控系统对铷原子加热并且精确控温；所述第二原子系统的结构和所述第一原子系统的结构相同。
[0012] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
[0013] 1、本发明中失败的蒸馏操作仅降低了蒸馏后原子之间的纠缠度，并不破坏原子之间的量子纠缠。因此，本发明不需要多次重新制备用于纠缠蒸馏的原子纠缠。
[0014] 2、本发明不需要非高斯操作技术，仅利用成熟的高斯操作技术，包括基于原子系综的线性量子存储系统，基于平衡零拍探测系统的后选择控制。
[0015] 3、本发明可以提高原子之间量子纠缠的质量。
[0016] 4、本发明可以克服纠缠光场在远距离分发中引入的位相噪声，在远距离的两个原子系综之间建立纠缠。
[0017] 5、本发明制备的蒸馏原子纠缠可以用于下游的量子信息的应用。
附图说明
[0018] 图 1为本发明的结构示意图；
[0019] 图 2为本发明中光源单元的结构示意图；
[0020] 图 3为本发明中测量系统的结构示意图；
[0021] 图 4为本发明中光信号的控制时序图；
[0022] 图 5为本发明中光学斩波器结构图；
[0023] 图 6为本发明原子的能级示意图；
[0024] 图 7为本发明原子系统的结构示意图。
[0025] 图中，1-光源单元，10-可调谐激光器，11-1×3光学分束器阵列，12-EPR纠缠光源，13-第一声光调制系统，14-第二声光调制系统，15-第三声光调制系统，16-第四声光调制系统，17-第五声光调制系统，18-第一1×2光学分束器，19-第二1×2光学分束器，21-第一光纤通道，22-第二光纤通道，31-第一光学斩波器，32-第二光学斩波器，41-第一原子系统，
41a-第一原子气室，41b-第一磁屏壁纸，41c-第一磁屏蔽筒，41d-第一温控系统，42-第二原子系统，42a-第二原子气室，42b-第二磁屏壁纸，42c-第二磁屏蔽筒，42d-第二温控系统，5-测量系统，5a-第一光学分束器，5b-第一平衡零拍探测器，5c-第二平衡零拍探测器，5d-第一功率减法器，5e-第二光学分束器， 5f-第三平衡零拍探测器，5g-第四平衡零拍探测器，
5h-第二功率减法器，5i-功率加法器，5j-第三功率减法器，5k-数字可存储示波器。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步的说明。文中的EPR纠缠光源指的是爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（Einstein-Podolsky-Rosen）纠缠光源。
[0027] 如图1所示，本实施例中的一种原子系综之间的连续变量纠缠蒸馏装置，包括光源单元1、第一光纤通道21、第二光纤通道22、第一光学斩波器31、第二光学斩波器32，第一原子系统41、第二原子系统42和测量系统5；光源单元1设有两路本地振荡光信号aL1和aL2的输出端、两路探针光脉冲信号aP1和aP2的输出端、两路控制光脉冲信号aC1和aC2的输出端；光源单元1的探针光脉冲信号aP1和aP2的输出端分别与第一光纤通道21、第二光纤通道22的输入端连接，第一光纤通道21、第二光纤通道22的输出端分别与第一光学斩波器31、第二光学斩波器32的输入端连接，第一光学斩波器31、第二光学斩波器32输出的水平偏振的探针光脉冲信号分别与第一、第二原子系统41、42的第一输入端①连接，光源单元1的控制光脉冲信号aC1和aC2的输出端分别与第一原子系统41、第二原子系统42的第二输入端②连接，第一原子系统41、第二原子系统42的输出端分别与测量系统5的第一输入端①、第二输入端②连接，光源单元1的本地振荡光信号aL1和aL2的输出端分别与测量系统5的第三输入端③、第四输入端④连接。
[0028] 如图2所示，光源单元1包括可调谐激光器10、1×3光学分束器阵列11、EPR纠缠光源12、五套声光调制系统13-17和两个1×2光学分束器18-19。可调谐激光器10的输出端与1×3光学分束器阵列11的输入端连接，1×3光学分束器阵列11的第一输出端①和第一1×2光学分束器18的输入端连接，第一1×2光学分束器18输出本地振荡光信号aL1和aL2，1×3光学分束器阵列11的第二输出端②与第一声光调制系统13的输入端连接，第一声光调制系统13的输出端与第二声光调制系统14的输入端连接，第二声光调制系统14和第二1×2光学分束器19输入端连接，第二1×2光学分束器19输出控制光脉冲信号aC1和aC2，1×3光学分束器阵列11的第三输出端③与第三声光调制系统15的输入端连接，第三声光调制系统15的输出端与EPR纠缠光源12的输入端连接，EPR纠缠光源12的两个输出端分别与第四声光调制系统
16、第五声光调制系统17的输入端连接，第四声光调制系统16、第五声光调制系统17的输出端分别输出探针光脉冲信号aP1和aP2。可调谐激光器10采用低噪声、窄线宽的钛宝石激光器，该激光器输出波长为795nm的激光，对应于铷原子的吸收线。EPR纠缠光源12产生和铷原子吸收线匹配的两组份纠缠态光场。第一声光调制系统13由两个双次穿过的1.7GHz声光调制器组成，用于实现激光6.8GHz的移频；第二、第三、第四、第五声光调制系统14-17都由一对100MHz声光调制器组成，用于对激光实现时序控制，产生控制光脉冲信号aC1和aC2、探针光脉冲信号aP1和aP2、EPR纠缠光源13和测量系统5锁定的模拟光信号。
[0029] 如图3所示，测量系统由两套光学分束器5a、5e，四套平衡零拍探测器5b、5c、5f、5g，三套功率减法器5d、5h、5j和数字可存储示波器5k组成；第一原子系统41（第二原子系统
42）输出的探针光脉冲a’P1（P2）和本地振荡光信号aL1（L2）在第一光学分束器5a（第二光学分束器5e）干涉，干涉信号通过第一平衡零拍探测器5b（第三平衡零拍探测器5f）、第二平衡零拍探测器5c（第四平衡零拍探测器5g），第一功率减法器5d（第二功率减法器5h）对释放的探针光脉冲a’P1（P2）的正交分量的量子噪声进行测量，再通过第三功率减法器5j和数字可存储示波器5k对其关联噪声进行分析。上述的第三功率减法器5j也可以替换为功率加法器5i。
[0030] 如图4所示，第二、第三、第四、第五声光调制器14、15、16、17具有开关特性，能够实现相应的时序控制。整个控制周期为1毫秒，通过将纠缠光信号存储到两个原子系综建立原子系综的纠缠；然后，通过纠缠光信号和原子自旋波之间的干涉和后选择实现对两个原子系综的纠缠蒸馏。本地振荡光信号aL1和aL2都不经过声光调制器，处于常开状态。在探针光脉冲信号和原子相互作用的10微秒内,利用第三声光调制器15将探针光脉冲信号aP1和aP2都关闭，其余时间输出强的模拟光，用于对EPR纠缠光源12和测量系统5的锁定；在探针光脉冲信号和原子相互作用时间内，同时打开第四、第五声光调制器16、17（500纳秒）输出用于量子存储的探针光脉冲信号aP1和aP2。当探针光脉冲信号都打开时，打开第二声光调制器14同时输出控制光脉冲信号aC1和aC2, 实现探针光脉冲信号aP1和aP2的量子存储,建立两个原子系综之间的量子纠缠；在500纳秒的存储时间后，再次重复探针光脉冲信号aP1和aP2的存储过程，通过基于平衡零拍探测的后选择可以实现原子纠缠蒸馏；在500纳秒的存储时间后，再次打开第二声光调制器同时输出控制光脉冲信号aC1和aC2，将两个原子系综的量子态都转换为释放光脉冲信号a’P1和a’P2。
[0031] 如图5所示，第一、第二光学斩波器31、32的圆盘分三个区域。第一区域I透过率为1，第二区域II透过率和存储效率相等，第三区域III透过率为0。在第一次存储时，第一、第二光学斩波器31、32都让探针光脉冲信号aP1和aP2直接通过，对应于第一区域I。在第二次存储时，第一、第二光学斩波器31、32都让探针光脉冲信号aP1和aP2以一定的衰减率通过，其透过率和存储效率相等，对应于第二区域II。在测量量子噪声极限时，第一、第二光学斩波器
31、32将探针光脉冲信号aP1和aP2都挡掉，对应于第三区域III。
[0032] 如图6所示，第一、第二原子系统41、42都采用铷87原子的52S1/2的F=1和F=2以及52P1/2的F’=1的超精细能级。利用可调谐激光器10的调谐特性和第一声光调制器13的移频特性，获得相应波长的光信号。控制光脉冲信号aC1和aC2的频率和52S1/2的F=1到52P1/2的F’=1的跃迁吸收线有 的单光子失谐；探针光脉冲信号aP1和aP2和本地振荡光信号
aL1和aL2的频率相同，该频率和52S1/2的F=2到52P1/2的F’=1的跃迁吸收线有 的单光子失谐和 的双光子失谐量。
[0033] 如图7所示，第一原子系统41（第二原子系统42）由第一原子气室41a（第二原子气室42a）、磁屏蔽系统和第一温控系统41d（第二温控系统42d）组成。磁屏蔽系统由第一磁屏壁纸41b（第二磁屏壁纸42b）和第一磁屏蔽筒41c（第二磁屏蔽筒42c）组成；第一原子气室41a（第二原子气室42a）充有铷87原子气体和10Torr的缓冲惰性气体，在第一原子气室41a（第二原子气室42a）的通光面镀有相应激光波长的减反膜，第一原子气室41a（第二原子气室42a）的外层用第一磁屏蔽纸41b（第二磁屏蔽纸42b）包裹，并且放置于由金属制成的第一磁屏蔽筒41c（第二磁屏蔽筒42c）内，第一磁屏蔽筒41c（第二磁屏蔽筒42c）的外层都设置采用加热带、保温材料和控温仪器组成的第一温控系统41d（第二温控系统42d）对铷原子加热并且精确控温。
[0034] 尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
