[发明专利]一种全光纤量子层析扫描装置及扫描方法

说明书

本发明公开了一种全光纤量子层析扫描装置，该装置创新性地提出利用光纤的可集成特性实现了全光纤的量子层析扫描装置，利用两臂非平衡的全光纤马赫曾德干涉仪结构实现了量子层析扫描技术的演示。同时，本发明还公开了一种基于该装置的全光纤量子层析扫描方法，为量子层析扫描技术的学习和应用提供一种全新的方法和手段。另外，本发明将量子层析技术集成，易于系统搬迁和重复使用，大大降低了量子层析扫描技术的应用门槛，为量子层析扫描技术的推广应用铺平道路。

技术领域

本发明涉及量子层析扫描技术，具体涉及一种全光纤量子层析扫描装置及扫描方法。

背景技术

量子层析扫描技术是现代量子力学中测量量子系统量子纠缠特性最实用的方法。不论是量子纯态还是混态，不论是量子过程还是量子系统，量子层析扫描技术都能够准确还原出其态函数或者是密度矩阵。而且，量子层析扫描技术是一种完全的量子探测技术，其探测到的量子信息具有完备性，能够完整表征整个量子态。然而，由于量子态的不可克隆性，探测会导致量子特性的塌缩，使得量子层析扫描技术必须多次反复扫描和测量相同的量子态来实现信息的完全还原。因此其探测方法涉及到大量的统计学，积分变换以及量子力学原理，难以掌握。这就导致了虽有具有很好的实用性，但其入门门槛高的现象，难以大范围普及应用。

随着近年来量子技术的快速发展，包括量子计算，量子通信技术的高速发展，量子层析扫描技术的应用也日益增多。如何让该项技术的学习和应用变得简单成为了量子技术普及的瓶颈问题。一套能够简单演示和快速应用的量子层析扫描装置和扫描方法能够很好的解决这一问题，但很遗憾，目前尚没有任何相关解决方案。

发明内容

本发明提供了一种全光纤量子层析扫描装置及方法，提供了一种简单的演示量子层析扫描技术的装置和方法，更提供了一种量子技术快速普及和应用的新方法和新手段。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全光纤量子层析扫描装置，包括相干光源；隔离器；两个相位调制器；两个光纤分束器；可调衰减器；两个光电探测器；减法器；两个信号发生器；混频器；低通滤波器以及数据采集模块。

相干光源发出的光场经过隔离器后进入光纤分束器，组成了一个经典的全光纤马赫曾德干涉仪。干涉仪的其中一个信号臂作为本振光场，放置了一个相位调制器，由第一信号发生器驱动。另外一个信号臂作为信号光场模拟光量子态，放置了一个相位调制器和一个可调衰减器，由另外第二信号发生器驱动。干涉仪的两个输出端口分别接入两个探测器中探测，探测器输出的信号经过减法器后进入混频器，与第二信号发生器的输出信号混频。混频器输出信号进入低通滤波器滤波后进入数据采集模块进行数据采集。同时，数据采集模块实时记录第一信号发生器的输出信号确定装置归一化参数。本装置中低通滤波器为频带为0-50kHz，3dB处的压制比为6dB及以上。

基于以上全光纤量子层析扫描装置，本发明还提出了一种全光纤量子层析扫描方法，包括以下步骤：

步骤一，搭建上述系统，控制相干光源的输出功率在0.1-5mW左右；

步骤二，设置第一信号发生器的扫描信号为三角波，调整信号发生器的输出幅值使得驱动相位调制器调制的相位超过2π；

步骤三，设置第二信号发生器的调制信号为0.1-10MHz的正弦信号，使得驱动相位调制器调制具有特定频率的光场态；

步骤四，设置可调衰减器，保证信号光功率较本振光功率低一个量级以上(即保证信号光功率为本振光功率的1/10以下)；

步骤五，数据采集模块采集低通滤波器输出的信号和第一信号发生器的扫描信号；

步骤六，利用获得的第一信号发生器的扫描信号，确定当前本振光的相位信息，并作为采集到的低通滤波器输出信号的相位信息{θ_i}；