專利名稱：：基于單芯片的緊湊糾纏極化態(tài)光子源和產(chǎn)生處于糾纏極化態(tài)的光子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的設(shè)備和方法實(shí)施例涉及非線性光學(xué)設(shè)備，具體來(lái)說(shuō)，涉及用于產(chǎn)生處于極化糾纏狀態(tài)的光子的基于非線性光學(xué)器件的緊湊設(shè)備。目前，在從材料科學(xué)到量子物理的領(lǐng)域中的最新和有前途的發(fā)展正被用于產(chǎn)生新的基于量子系統(tǒng)的技術(shù)。這些量子系統(tǒng)可以被用于編碼和發(fā)送量子信息。具體來(lái)說(shuō)，僅包括兩個(gè)離散狀態(tài)(用"I0"和"l1〉，，表示)的量子系統(tǒng)可以潛在地被用在多種基于量子系統(tǒng)的應(yīng)用中，這些應(yīng)用包括量子信息編碼和處理、光量子光刻和度量學(xué)。包括兩個(gè)離散狀態(tài)的量子系統(tǒng)被稱為"量子比特(qubit)系統(tǒng)"，被稱為"量子比特基態(tài)，，的狀態(tài)lo〉和IO也可以用集合符號(hào)表示為(10〉，11〉)。量子比特系統(tǒng)可以存在于狀態(tài)l0〉、狀態(tài)口〉或同時(shí)包括lo〉和口〉二者的無(wú)限多個(gè)狀態(tài)中的任意一個(gè)中，該狀態(tài)在數(shù)學(xué)上可以用狀態(tài)的線性疊加來(lái)表示如下|"-"|0〉十戶|1〉狀態(tài)l^〉被稱為"量子比特"，并且參數(shù)oc和P是滿足下列條件的復(fù)數(shù)值系數(shù)執(zhí)行對(duì)量子系統(tǒng)的測(cè)量在數(shù)學(xué)上等效于將量子系統(tǒng)的狀態(tài)投影到其中一個(gè)基態(tài)上，并且一般來(lái)說(shuō)，將量子系統(tǒng)的狀態(tài)投影到基態(tài)上的概率等于與該基態(tài)相關(guān)的系數(shù)的平方。例如，當(dāng)以基^〉"巧測(cè)量量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)^〉時(shí)，發(fā)現(xiàn)量t系統(tǒng)在狀態(tài)10〉中的概率為并且發(fā)現(xiàn)量子系統(tǒng)在狀態(tài)11〉中的概率為I"12。與量子比特系統(tǒng)有關(guān)的無(wú)限多的純態(tài)可以在幾何上用單位半徑的、；坡稱為"布洛赫球(Blochsphere)"的三維球來(lái)表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>
背景技術(shù)：
：其中，o《^<"以及圖1示出了量子比特系統(tǒng)的布洛赫球表示。在圖1A中，線101-103分別是正交的x、y和z笛卡兒坐標(biāo)軸，并且布洛赫球106以原點(diǎn)為中心。布洛赫球106上有無(wú)窮多點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)表示量子比特系統(tǒng)的唯一態(tài)(uniquestate)。例如，布洛赫球106上的點(diǎn)108表示同時(shí)包括一部分的狀態(tài)…〉和一部分的狀態(tài)W的量子比特系統(tǒng)的唯一態(tài)。然而，一旦以基W〉，IW測(cè)量量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)，那么將量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)投影到狀態(tài)lG〉110或狀態(tài)Wll2上。電磁輻射的光子狀態(tài)可以用作量子信息處理和量子計(jì)算應(yīng)用中的量子比特基態(tài)。術(shù)語(yǔ)"光子，，是指電磁輻射的電磁場(chǎng)模式的激發(fā)能量的單個(gè)量子。電磁輻射可以是傳播電磁波的形式，每個(gè)電磁波包括橫向電場(chǎng)分量S和正交的橫向磁場(chǎng)分量^。圖1B示出了在^方向上傳播的電磁波的橫向電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量。如圖1B所示，電磁波沿著z軸120被引導(dǎo)。橫向電場(chǎng)("TE")分量^122和橫向磁場(chǎng)("TM")分量^124分別沿著正交的x軸126和y軸U8。盡管圖1B所示的TE和TM具有相等的幅度，但是在實(shí)際情況下，TM分量的幅度小于TE分量的幅度，相差因子l/c,其中c表示光在自由空間中的速度(c=3.Oxl08m/sec)。由于電場(chǎng)分量的大小與磁場(chǎng)分量的大小之間的巨大差異，所以在電磁波與物質(zhì)的相互作用中，電場(chǎng)分量單獨(dú)起到了大部分的作用。電磁波的極化光子狀態(tài)也可以被用作量子信息處理和量子計(jì)算中的量子比特基態(tài)。兩個(gè)常用的基態(tài)是電磁波的垂直極化光子和水平極化光子。圖2A-2B分別示出了垂直極化光子和水平極化光子。在圖2A-2B中，用振蕩的連續(xù)正弦波來(lái)表示垂直和水平極化的光子，所述垂直和水平極化的光子分別表示沿著z坐標(biāo)軸202和2(M傳播的電場(chǎng)分量。如圖2A所示，垂直極化的光子l「〉對(duì)應(yīng)于在yz平面內(nèi)振蕩的電場(chǎng)分量。方向箭頭206代表當(dāng)l"沿著z坐標(biāo)軸202前進(jìn)通過一個(gè)完整的波長(zhǎng)時(shí)，l"的電場(chǎng)分量在xy平面208中的一個(gè)完整振蕩周期。在圖2B中，水平極化的光子^〉對(duì)應(yīng)于在xz平面內(nèi)振蕩的電場(chǎng)分量。方向箭頭210代表當(dāng)W〉沿著z坐標(biāo)軸204前進(jìn)通過一個(gè)完整的波長(zhǎng)時(shí)，1〃〉的電場(chǎng)分量在xy平面212中的一個(gè)完整振蕩周期。包括兩個(gè)或更多個(gè)量子比特系統(tǒng)的系統(tǒng)的狀態(tài)由量子比特的張量積來(lái)表示，每個(gè)量子比特與其中一個(gè)量子比特系統(tǒng)相關(guān)。例如，包括第一量子比特系統(tǒng)和第二量子比特系統(tǒng)的系統(tǒng)的張量積由下式給出其中第一量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)為第二量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)為狀態(tài)^〉n也可以被重寫為基態(tài)的乘積的線性疊加其中項(xiàng)I0〉J0〉2、10〉Jl〉2、11〉J0〉2以及n〉W〉2是張量積空間的基。狀態(tài)|^〉12中的每個(gè)乘積態(tài)具有相關(guān)系數(shù)1/2,其表示當(dāng)在基(10〉,，11〉,)中測(cè)量第一量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)并且在基{|0〉2,|1〉2}中測(cè)量第二量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)合成量子比特系統(tǒng)處于任一乘積態(tài)的概率是1/4(11/212)。然而，合成量子比特系統(tǒng)的某些狀態(tài)不能用相關(guān)量子比特的乘積來(lái)表示。這些量子比特系統(tǒng)被稱為是"糾纏的"。量子糾纏是量子力學(xué)的獨(dú)特性質(zhì)，其中，即使兩個(gè)或更多個(gè)量子系統(tǒng)可以在空間上分開，但是所述量子系統(tǒng)的狀態(tài)也是相干的。糾纏的雙量子比特系統(tǒng)的示例糾纏態(tài)表示由下式給出糾纏態(tài)I,〉12不能被分解成量子比特"，I0〉,+/，11〉!和"2I0〉2+A11〉2的乘積，無(wú)論如何選擇參數(shù)^、A、"2、A,情況都是如此。非糾纏的雙量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)可以與糾纏的雙量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)區(qū)分開，如下所述。考慮處于狀態(tài)l^^中的非糾纏的雙量子比特系統(tǒng)。假設(shè)以基{I0〉,，11》}對(duì)第一量子比特系統(tǒng)執(zhí)行的測(cè)量將第一量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)投影到狀態(tài)lo〉'上。根據(jù)狀態(tài)k、，緊接著測(cè)量之后非糾纏的雙量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)是狀態(tài)的線性疊加(1AI0〉2+I0》I&)/^。當(dāng)緊接著第一測(cè)量之后在相同的參考坐標(biāo)系中，以基{10〉2,11〉2}對(duì)第二量子比特系統(tǒng)執(zhí)行第二測(cè)量時(shí)，將第二量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)投影到狀態(tài)IG〉2上的概率是1/2,將第二量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)投影到狀態(tài)l"上的概率是1/2。換句話說(shuō)，第二量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)與第一量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)不相干。相反，考慮處于糾纏態(tài)^中的糾纏的雙量子比特系統(tǒng)。假設(shè)以基(10〉Jl〉,)對(duì)第一量子比特系統(tǒng)執(zhí)行的第一測(cè)量也將第一量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)投影到狀態(tài)lo、上。根據(jù)糾錄-態(tài)K〉u,糾纏的雙量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)在第一測(cè)量之后是乘積態(tài)lG〉iI1〉2。當(dāng)以基{I0〉2，i1〉2)對(duì)第二量子比特系統(tǒng)執(zhí)行第二測(cè)量時(shí)，第二量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)肯定為l1〉2。換句話說(shuō)，第一量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)與第二量子比特系統(tǒng)的狀態(tài)相干。糾纏量子系統(tǒng)在從量子計(jì)算到量子信息處理的領(lǐng)域范圍內(nèi)具有多個(gè)不同的和實(shí)際的應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，上述極化糾纏光子可以被用在量子信息處理、量子密碼學(xué)、遠(yuǎn)距傳物以及線性光學(xué)量子計(jì)算中?？梢杂迷诙鄠€(gè)不同的糾纏態(tài)應(yīng)用中的極化糾纏光子的示例是如下給出的Be11態(tài)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，下標(biāo)'T，和"2"可以代表不同的傳輸信道或不同的波長(zhǎng)。盡管極化糾纏光子具有多個(gè)潛在有用的應(yīng)用，但是極化糾纏光子源通常不能在多種糾纏態(tài)應(yīng)用中被實(shí)際實(shí)現(xiàn)。例如，在Kwiat等人的"NewHigh-IntensitySourceofPolarization-EntangledPhotonPairs",PhysicalReviewLetters,vol.75,4337(1995)中，Kwiat描述了極化糾纏光子Bell態(tài)的高強(qiáng)度源，其可用于連續(xù)電磁波而可不用于電磁波脈沖。此外，只有在特定方向上發(fā)射的光子是糾纏的。結(jié)果，僅可以產(chǎn)生有限數(shù)量的Bell態(tài)。在Kwiat的"Ultrabrightsourceofpolarization-entangledphotons"中,PhysicalReviewA,vol.60,R773,(1999)，Kwiat還描述了極化糾纏光子對(duì)的源。但是，必須使用薄晶體和連續(xù)波泵浦，以便獲得良好的糾纏。在TaehyunKim等人的"phase-stablesourceofpolarization-entangledphotonsusingapolarizationSagnacinterferometer，，,PhysicalReviewA,vol.73，012316,(2006)以及在Fioretino等人的"Generationofultrabrighttunablepolarizationentanglementwithoutspatial,spectral,ortemporalconstraints",PhysicalReviewA,vol.69,041801(R)(2004)中，Kim和Fiorentino兩人都描述了Bell態(tài)極化糾纏光子的超亮參量下轉(zhuǎn)換(down-conversion)源。然而，這些極化糾纏光子源不能被用在微尺度應(yīng)用中，生產(chǎn)起來(lái)很昂貴，并且需要周期性調(diào)節(jié)。物理學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、以及糾纏態(tài)使用者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，需要與連續(xù)波和脈沖泵浦源都兼容且可以被耦合到光纖耦合器以用于在微尺度設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的極化糾纏光子源。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例針對(duì)一種用于產(chǎn)生極化糾纏光子的基于單芯片的緊湊系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，極化糾纏光子狀態(tài)源包括單個(gè)傳輸層，該傳輸層被配置為用于傳輸電磁輻射。該傳輸層包括分束器，該分束器被配置為接收泵浦束并且輸出第一泵浦束和第二泵浦束；和下轉(zhuǎn)換設(shè)備，該下轉(zhuǎn)換設(shè)備被配置為接收該第一泵浦束并且輸出第一信號(hào)束和第一閑頻(idler)束，以及接收該第二泵浦束并且輸出第二信號(hào)束和第二閑頻束。該傳輸層還包括模式轉(zhuǎn)換器，該模式轉(zhuǎn)換器被配置為將第一信號(hào)束和第一閑頻束的電場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)分量，并且將第一信號(hào)束和第一閑頻束的磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)分量。嵌入到該傳輸層中的組合器被配置為接收第一和第二信號(hào)束以及第一和第二閑頻束，并且輸出處于糾纏狀態(tài)的第一和第二信號(hào)束以及第一和第二閑頻束。圖IA例示了量子比特系統(tǒng)的布洛赫球表示。圖IB例示了傳播電磁波的橫向電場(chǎng)和橫向；茲場(chǎng)分量。圖2A-2B例示了垂直和水平極化的光子基態(tài)。圖3A-3B例示了由電場(chǎng)/磁場(chǎng)模式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的極化狀態(tài)變化。圖4A例示了Y形結(jié)(junction)組合器的光學(xué)表示。圖4B-4C例示了電子可調(diào)諧極化組合器的光學(xué)表示。圖5A例示了Y形分束器。圖5B例示了電子可調(diào)諧光學(xué)分束器的光學(xué)表示。圖5C例示了通過圖B所示的分束器傳輸?shù)牟ㄊ姆瓷浜屯干?。圖7A-7B例示了類型I下轉(zhuǎn)換的兩個(gè)示例。圖7C例示了類型II下轉(zhuǎn)換的示例。圖8A是信號(hào)束強(qiáng)度的曲線圖。圖8B例示了假定的周期性極化(poled)的下轉(zhuǎn)換晶體。圖8C是由傳播經(jīng)過三個(gè)不同的非線性晶體的泵浦束產(chǎn)生的信號(hào)功率的曲線圖。圖9例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第一單晶體、極化糾纏光子源的示意性平面圖。圖10例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第二單晶體、極化糾纏光子源的示意性平面圖。圖11例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第三單晶體、極化糾纏光子源的示意性平面圖。圖12例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第四單晶體、極化糾纏光子源的示意性平面圖。圖13例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第五單晶體、極化糾纏光子源的示意性平面圖。壓的電極的第六單晶體、極化糾i光子源的示意性平面圖。、圖15例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的具有脊波導(dǎo)的單晶體、極化糾纏光子源的示例。圖16例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的基于單光子晶體的極化糾纏光子源的示例。具體實(shí)施方式本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例針對(duì)一種產(chǎn)生極化糾纏光子的基于單芯片的緊湊系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的某些系統(tǒng)實(shí)施例可以被用于產(chǎn)生處于Bell態(tài)的極化糾纏光子。為了幫助讀者理解本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的描述，在第一小節(jié)中提供了TE/TM模式轉(zhuǎn)換器、光束組合器、分束器以及自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的綜述。在第二小節(jié)中提供本發(fā)明的各個(gè)系統(tǒng)實(shí)施例。TE/TM模式轉(zhuǎn)換器、光束組合器、分束器以及自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換TE/TM模式轉(zhuǎn)換器將入射的垂直極化的電磁波轉(zhuǎn)換成水平極化的電磁波，并且將入射的水平極化的電磁波轉(zhuǎn)換成垂直極化的電磁波。；溪式轉(zhuǎn)換過程通常由下式來(lái)表示7M€r五圖3A-3B例示了入射到脊波導(dǎo)TE/TM模式轉(zhuǎn)換器300上的垂直極化電磁波和水平極化電磁波的極化狀態(tài)變化。TE/TM模式轉(zhuǎn)換器包括夾在周期均為y的第一周期電極(periodicelectrode)304與第二周期電極306之間的波導(dǎo)302。電極304和306提供橫跨波導(dǎo)302兩端的電壓，所述電壓對(duì)在波導(dǎo)302中傳播的電磁波的TE和TM進(jìn)行切換。在圖3A中，垂直極化的光子l"308在波導(dǎo)302中沿著z坐標(biāo)軸310傳播。當(dāng)垂直極化光子l"308在電極304與電極306之間經(jīng)過時(shí)，相關(guān)的TE和TM模式被切換，使得從TE/TM模式轉(zhuǎn)換器300的相對(duì)側(cè)出現(xiàn)水平極化的光子l77〉312。在圖3B中，水平極化的光子177〉314沿著z坐標(biāo)軸310傳播到TE/TM模式轉(zhuǎn)換器300的前側(cè)。當(dāng)水平極化的光子l77〉314經(jīng)過波導(dǎo)302時(shí)，從TE/TM模式轉(zhuǎn)換器300的相對(duì)側(cè)出現(xiàn)垂直極化的光子1"316。電光TE/TM模式轉(zhuǎn)換器在本領(lǐng)域中是公知的。例如，參見R.C.Alferness的"Efficientwaveguideelectro—opticTM€TEmodeconverter/waveguidefilter",Appl.Phys.Lett.36(7)，1980年4月1曰,以及H.Porte等人的"IntegratedwaveguidemodulatorusingaLiNb03TM€TEconverterforelectroopticcoherencemodulationoflight",J.LightwaveTechnology,vol.6，no.6,1988年6月。組合器接收入射的電磁輻射束，每個(gè)束在單獨(dú)的波導(dǎo)中傳輸，并且在單個(gè)波導(dǎo)中輸出單個(gè)電磁輻射束。圖4A例示了Y形結(jié)組合器400的光學(xué)表示。該Y形結(jié)組合器400包括兩個(gè)相交的輸入波導(dǎo)402和404以及單個(gè)輸出波導(dǎo)406。波導(dǎo)402、404以及406可以是脊波導(dǎo)、光子晶體中的波導(dǎo)、或雙折射晶體的摻雜原子的區(qū)域。如圖4A所示，Y形結(jié)組合器400接收第一波導(dǎo)402中具有電場(chǎng)幅度E,的第一電磁輻射束和第二波導(dǎo)404中具有電場(chǎng)幅度E2的第二電磁輻射束，并且在波導(dǎo)406中輸出具有電場(chǎng)幅度E一E2的單個(gè)電磁輻射束。注意，一般來(lái)說(shuō)，Y形結(jié)組合器獨(dú)立于波束的極化狀態(tài)而工作。另一方面，極化組合器接收分別在單獨(dú)的波導(dǎo)中傳輸?shù)牡谝皇怪睒O化電磁波和第二束水平極化電磁波，并且在單個(gè)波導(dǎo)中輸出包括垂直極化電石茲波和水平極化電磁波的疊加的波束，或者該極化組合器在波導(dǎo)中接收包括垂直極化電磁波和水平極化電》茲波的疊加的波束，并且在一個(gè)波導(dǎo)中輸出水平極化電磁波束且在另一個(gè)波導(dǎo)中輸出垂直極化電磁波束。圖4B-4C例示了電子可調(diào)諧的極化組合器410的光學(xué)表示。極化組合器410包括第一波導(dǎo)412、第二波導(dǎo)414、第一電極416、以及第二電極418。波導(dǎo)412和414的形狀是非對(duì)稱的。例如，波導(dǎo)414的寬度小于波導(dǎo)412的寬度。第一波導(dǎo)412和第二波導(dǎo)414均包括彎曲區(qū)域，在該彎曲區(qū)域中，波導(dǎo)412和414與電極416和418彼此非常接近。電極416和418可以;波調(diào)諧以控制波導(dǎo)412和414之間的電》茲波的漸消誄禺合(evanescentcoupling)。從第一波導(dǎo)412透射到第二波導(dǎo)414中的極化電磁波是透射回第一波導(dǎo)412還是留在第二波導(dǎo)414中，取決于該電磁波的極化狀態(tài)以及電極416與418之間的電場(chǎng)大小。例如，在圖4B中，水平極化的電磁波束進(jìn)入波導(dǎo)412中并且沿著虛線路徑420,而垂直極化的電磁波束進(jìn)入波導(dǎo)414并且沿著路徑422。電極416和418之間的電場(chǎng)可以被調(diào)諧，使得水平極化的電磁波束420從波導(dǎo)412透射到波導(dǎo)414中然后返回波導(dǎo)412中，而垂直極化的電磁波束422從波導(dǎo)414透射到波導(dǎo)412中。包括水平極化電磁波和垂直極化電磁波的束在相同的波導(dǎo)414中退出極化組合器410。在圖4C中，電極416與418之間的電場(chǎng)可以被調(diào)諧，使得當(dāng)包括分別由虛線路徑424和路徑426標(biāo)識(shí)的水平極化的電磁波束和垂直才及化的電i茲波束在相同波導(dǎo)412中進(jìn)入招^化組合器410時(shí)，水平極化的電磁波束從波導(dǎo)412透射到波導(dǎo)414中并且再返回波導(dǎo)412中，而垂直極化的電磁波束從波導(dǎo)412透射到波導(dǎo)414中。水平極化的電磁波束在波導(dǎo)412中退出極化組合器410,并且垂直極化的電磁波束在波導(dǎo)414中退出極化組合器410。分束器("BS")是基于光信號(hào)的計(jì)算和信息處理系統(tǒng)的主要部件。圖5A例示了Y形BS500。Y形BS500包括輸入波導(dǎo)502、笫一輸出波導(dǎo)504以及第二輸出波導(dǎo)506。對(duì)于免于任何會(huì)從輸入電場(chǎng)去掉能量的無(wú)損過程的Y形BS500來(lái)說(shuō)，與輸入和輸出電磁輻射束相關(guān)的能量是守恒的。如圖5A所示，具有電場(chǎng)幅度E,的入射電磁輻射束被分成具有如下電場(chǎng)幅度的兩個(gè)單獨(dú)的電磁輻射束￡2=C2^〗，和其中"和C3代表滿足下述條件的復(fù)數(shù)值的系數(shù)N2+hl2=i具有電場(chǎng)分量E2的束被傳輸?shù)捷敵霾▽?dǎo)504中；并且具有電場(chǎng)分量E3的束被傳輸?shù)捷敵霾▽?dǎo)506中。當(dāng)輸出波導(dǎo)504和506為對(duì)稱時(shí)，Y形BS500在輸出波導(dǎo)504中傳輸入射束的通量密度的50%,并且在輸出波導(dǎo)506中傳輸另50%。該Y形BS被稱為"50:50分束器"，并且相應(yīng)的系數(shù)Cl和c2可均等于。換句話說(shuō)，輸出波導(dǎo)504和506都傳輸相同部分的在波導(dǎo)502中傳輸?shù)娜肷涫耐棵芏取D5B例示了電子可調(diào)諧光學(xué)BS510的光學(xué)表示。BS510包括第一波導(dǎo)512、第二波導(dǎo)514、第一電極516以及第二電極518。方向箭頭520和522分別表示具有電場(chǎng)幅度E,和E2的輸入電磁輻射束，并且方向箭頭524和526分別表示具有由E,和E2表示的電場(chǎng)幅度的輸出電磁輻射束。圖5C例示了輸入到BS510的束的反射和透射。方向箭頭528和530分別表示電場(chǎng)E,的反射路徑和透射路徑，虛線方向箭頭532和534分別表示電場(chǎng)E2的反射路徑和透射路徑。在圖5C中，r"E,和UEi代表電場(chǎng)Ej皮反射和透射的量，并且r^2和"E2代表電場(chǎng)E2被反射和透射的量，其中b和r,2代表復(fù)數(shù)值的反射系數(shù)，"和t32代表復(fù)數(shù)值的透射系數(shù)，它們滿足下列關(guān)系hll2+|"l|2=k42l2+k32|2=1,和一f\對(duì)于免于會(huì)從輸入電場(chǎng)去掉能量的任何無(wú)損過程的BS510,與輸入和輸出電場(chǎng)相關(guān)的能量是守恒的。結(jié)果，輸入電場(chǎng)幅度E,和E;以及輸出電場(chǎng)幅度E3和E4在數(shù)學(xué)上通過下列矩陣方程相關(guān)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>通過改變電極516與518之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，BS510可以被調(diào)諧成反射和透射任何希望部分(fraction)的入射束的通量密度。例如，在電極516與518之間適當(dāng)施加的電場(chǎng)可以反射入射波束的40%的通量密度，透射60%的通量密度，或者電極516與518之間的電場(chǎng)強(qiáng)度可以被調(diào)諧成反射入射束的50%，并且透射50°/。。反射入射束的50%且透射入射束的50。/。的BS被稱為"50:50分束器"，反射和透射系數(shù)可以由下式給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換("SPDC")中，雙折射非線性晶體將處于相干態(tài)l"〉、被稱為"泵浦束"的入射電磁輻射束分成被稱為"信號(hào)束"和"閑頻束"的一對(duì)光子束。圖6例示了將處于相干態(tài)l"〉的泵浦束分成一對(duì)信號(hào)光子束和閑頻光子束的雙折射非線性晶體。在圖6中，具有頻率和波數(shù)、的泵浦束602入射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)的非線性晶體604上。泵浦束602在非線性晶體604內(nèi)生成第一和第二非線性極化波。第一非線性極化波被稱為"閑頻"波，其以由"'表示的頻率振蕩，第二非線性極化波被稱為"信號(hào)"波，其以由^表示的頻率振蕩。術(shù)語(yǔ)"信號(hào)"和"閑頻"是歷史術(shù)語(yǔ)，沒有特別的意義。因此，束標(biāo)號(hào)的選擇是任意的。當(dāng)這兩個(gè)非線性極化波和初始泵浦波的相對(duì)相位相長(zhǎng)(constructively)相加時(shí)，輸出具有頻率"'和相應(yīng)波數(shù)&的閑頻束606;并且輸出具有頻率w、和相應(yīng)波數(shù)&的信號(hào)束608。在下轉(zhuǎn)換過程中，非線性晶體的量子狀態(tài)保持不變。換句話說(shuō)，非線性晶體604的初始和最終量子力學(xué)狀態(tài)是等同的。從非線性晶體604輸出的不同的閑頻束606和信號(hào)束608是非線性和雙折射的結(jié)果，并且非線性晶體的折射率取決于入射的電磁波的極化方向。存在兩種類型的下轉(zhuǎn)換過程。第一種被稱為"類型I下轉(zhuǎn)換"，其在信號(hào)和閑頻束具有相同極化時(shí)發(fā)生；第二種被稱為"類型II下轉(zhuǎn)換"，其在信號(hào)和閑頻束具有正交極化時(shí)發(fā)生。圖7A-7B例示了類型I下轉(zhuǎn)換的兩個(gè)示例。在圖7A中，第一類型I下轉(zhuǎn)換晶體("DCC")702接收由^A表示的處于相干態(tài)的垂直極化泵浦束704,并輸出垂直極化的信號(hào)光子l"巧06和垂直極化的閑頻光子l「〉'708。在圖7B中，第二類型IDCC710接收由i、表示的處于相干態(tài)的水平極化泵浦束712,并輸出垂直極化的信號(hào)光子『》714和垂直極化的閑頻光子l「〉'716。圖7C例示了類型II下轉(zhuǎn)換的示例。類型IIDCC718接收由'〉p表示的處于相干態(tài)的垂直極化泵浦束720,并同時(shí)輸出垂直極化的信號(hào)光子l"、722和水平極化的閑頻光子^〉'724?？梢酝ㄟ^檢查信號(hào)束和閑頻束的強(qiáng)度來(lái)評(píng)估非線性晶體的效率，信號(hào)束和閑頻束的強(qiáng)度可以被分別寫成,sin(AfcL/2)、2<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>其中，Is(max)和Ii(max)是能夠從非線性晶體輸出的最大信號(hào)束強(qiáng)度和最大閑頻束強(qiáng)度；L是非線性晶體的長(zhǎng)度；以及^=、-^-&被稱為"波矢或動(dòng)量，失配(mismatch)"。圖8A是信號(hào)束強(qiáng)度Is與Mm的曲線圖。如圖8A所示，水平軸802對(duì)應(yīng)于A仏n值的范圍，垂直軸804對(duì)應(yīng)于信號(hào)束強(qiáng)度，曲線806表示作為A^^的函數(shù)的信號(hào)束強(qiáng)度。曲線806顯示，當(dāng)M等于o時(shí)，達(dá)到最大效率或強(qiáng)度，并且顯示隨著l圳z的增加，非線性晶體的效率降低。結(jié)果，對(duì)于IM^的較大非零值來(lái)說(shuō)，功率可能從信號(hào)束和閑頻束回流到泵浦束。當(dāng)下轉(zhuǎn)換過程中涉及的電磁波相位匹配，使得它們?cè)谇跋騻鞑シ较蛏舷嚅L(zhǎng)相加時(shí)，達(dá)到最大效率(M=o)。注意，對(duì)于閑頻束，也可以繪出以波矢失配M等于o處為中心的類似形狀的密度曲線Ii。通過仔細(xì)控制與泵浦束、信號(hào)束以及閑頻束中每一個(gè)相關(guān)的折射率，通?？梢垣@得相位匹配條件(^=0)。典型地，通過角調(diào)諧或溫度調(diào)諧可達(dá)到相位匹配，這兩種方法都是公知的相位匹配技術(shù)。然而，也存在角調(diào)諧和溫度調(diào)諧技術(shù)都不能適用于保持相位匹配條件的情況。例如，某些非線性晶體可能不具備足夠的雙折射來(lái)補(bǔ)償線性折射率在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的色散(dispersion),并且對(duì)于其他非線性晶體來(lái)說(shuō)，具有越來(lái)越短的波長(zhǎng)的電磁輻射導(dǎo)致與信號(hào)束相關(guān)的折射率逼近閑頻束的折射率。當(dāng)正常相位匹配不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以使用準(zhǔn)相位匹配。通過周期性地極化下轉(zhuǎn)換晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配。圖8B例示了假定的周期性極化的下轉(zhuǎn)換晶體810。下轉(zhuǎn)換晶體810包括相同雙折射材料的6個(gè)交替層811-816。層811、813以及815的晶格都定向在相同的方向上，如向下指的箭頭(諸如向下指的箭頭818)所指示的。相反，層812、814以及816的晶格都定向在層811、812以及815的相反方向上，如向上指的箭頭(諸如向上指的箭頭820)所指示的。交替層的周期用A表示。用于周期性地極化非線性晶體的方法是本領(lǐng)域公知的。下面的討論通過說(shuō)明信號(hào)的功率如何被三個(gè)不同的非線性晶體的特性改變，來(lái)描述周期性極化如何能夠補(bǔ)償非零波矢失配M。圖8C是三個(gè)信號(hào)功率的曲線圖，每一個(gè)與傳播通過不同非線性晶體的信號(hào)相關(guān)聯(lián)。如圖8C所示，水平軸822對(duì)應(yīng)于在每個(gè)非線性晶體內(nèi)的傳播距離，垂直軸824對(duì)應(yīng)于在存在強(qiáng)泵浦場(chǎng)的情況下傳播通過每個(gè)非線性晶體的信號(hào)場(chǎng)的功率。曲線826顯示，對(duì)于具有理想相位匹配交互(M=o)的第一單個(gè)非線性晶體來(lái)說(shuō)，信號(hào)功率隨著傳播距離z線性增加。相反，曲線828與第二單個(gè)非線性晶體有關(guān)，但是，由于非零波矢失配，場(chǎng)功率發(fā)生振蕩。結(jié)果，在第二非線性晶體的傳播距離上的平均場(chǎng)功率為零。曲線830與周期性極化的非線性晶體相關(guān)。曲線830顯示，當(dāng)作為波矢失配的結(jié)果，信號(hào)的功率將要降低時(shí)，通過對(duì)通常呈現(xiàn)非零波矢失配的非線性晶體進(jìn)行周期性極化，在周期A的末端會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，這允許功率單調(diào)(monotanically)增加。類似的考慮可以被應(yīng)用于閑頻束。周期性極化的非線性晶體的波矢失配給出如下并且最佳周期為本發(fā)明的實(shí)施例圖9例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第一單晶體、極化糾纏光子源900的示意性平面圖。該糾纏光子源900包括50:50Y形BS902、周期性極化的類型IDCC904、TE/TM才莫式轉(zhuǎn)換器906以及Y形組合器908，所有這些都是嵌入在單個(gè)傳輸層912中的部件。傳輸層912可以是z切割的非線性晶體，諸如z切割的LiNb03("鈮酸鋰")、KTiOP04("KTP，，)、KTiOAs04("KTA，，)、P-BaB204("P-BBO")，或者任何其它合適的非線性晶體材料，或者電光聚合物。傳輸層912包括光軸，并且術(shù)語(yǔ)"z切割"表示該光軸垂直于傳輸層912的平面。糾纏光子源900還包括嵌入在傳輸層912中的若干帶狀波導(dǎo)，諸如波導(dǎo)914。該波導(dǎo)被配置為在部件之間傳輸電磁輻射，并且將電磁輻射傳輸?shù)皆?00中以及從源900中輸出。該波導(dǎo)可以是傳輸層912中被蝕刻以形成隔離的脊波導(dǎo)的區(qū)域，或者該波導(dǎo)可以是傳輸層912中折射率比傳輸層912的其他部分的折射率高的區(qū)域?？梢酝ㄟ^用質(zhì)子或原子來(lái)?yè)诫s某些區(qū)域來(lái)產(chǎn)生高折射率波導(dǎo)。例如，可以在LiNb03傳輸層中通過用Ti注入LiNb03傳輸層的區(qū)域中，來(lái)產(chǎn)生折射率比LiNb03傳輸層的其它部分高的波導(dǎo)。傳輸層912可以由Si02、聚(甲基丙烯酸曱酯)("P麗A"),或者折射率低于傳輸層912且與波導(dǎo)中的電磁輻射傳輸相干涉的任何其它基底(未示出)來(lái)支撐。糾纏光子源900從泵浦束源(未示出)接收處于水平或垂直極化相干態(tài)的泵浦束。術(shù)語(yǔ)"水平"是指具有平行于糾纏光子源的平面極化的電場(chǎng)分量的電磁波，術(shù)語(yǔ)"垂直"是指具有正交于糾纏光子源的平面極化的電場(chǎng)分量的電磁波。泵浦束可以是輸入到波導(dǎo)914中的連續(xù)電磁波或者電磁波脈沖。糾纏光子源900輸出極化糾纏的光子，該光子所處的狀態(tài)由下式表示處于狀態(tài)^〉的極化糾纏光子在波導(dǎo)916中輸出。波導(dǎo)916可以連接到量子計(jì)算機(jī)、量子信息處理器或存儲(chǔ)設(shè)備、量子密碼設(shè)備、量子遠(yuǎn)距傳物設(shè)備或其它基于光學(xué)的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。下述討論描述了使用由'&〉P表示的處于相干態(tài)的水平極化泵浦束920來(lái)產(chǎn)生處于狀態(tài)W的極化糾纏光子。50:50BS920接收波導(dǎo)914中的泵浦束|0^〉"20,并且輸出如下給出的處于狀態(tài)的相干線性疊加的兩i各相關(guān)的泵浦束<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>其中i八表示在第一波導(dǎo)924中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束；和!〉2p表示在第二波導(dǎo)926中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束。類型IDCC904將在第一波導(dǎo)924中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束'""〉'p轉(zhuǎn)換成一對(duì)水平極化的信號(hào)光子和閑頻光子，如下所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>并且將在第二波導(dǎo)926中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束'"w、轉(zhuǎn)換成一對(duì)水平極化的信號(hào)光子和閑頻光子，如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>TE/TM模式轉(zhuǎn)換器906接收水平極化的信號(hào)和閑頻光子l"〉'i^〉"，并且輸出垂直極化的信號(hào)和閑頻光子l。i,'l"^',如參照?qǐng)D3所述的。Y形組合器908接收在波導(dǎo)924中傳輸?shù)男盘?hào)和閑頻光子『〉J""以及在波導(dǎo)926中傳輸?shù)男盘?hào)和閑頻光子l〃〉J^〉i',并且在波導(dǎo)916中輸出處于狀態(tài)^〉的極化糾纏光子，如參照?qǐng)D4A所述。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，輸入到波導(dǎo)914中的垂直極化泵浦束i"八也在波導(dǎo)916中輸出處于狀態(tài)W的極化糾纏光子。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，可以通過在內(nèi)部波導(dǎo)924和926中的一個(gè)的兩端施加電壓來(lái)調(diào)節(jié)由信號(hào)光子和閑頻光子獲得的相位差6。圖電極的第二單晶體、極化糾纏光子源1000的示意性平面圖。除了位于波導(dǎo)926的相對(duì)側(cè)的電極1002和1004之外，糾纏光子源1000與圖9所示的糾纏光子源900等同。為了簡(jiǎn)便，在糾纏態(tài)源900和1000中結(jié)構(gòu)上等同的部件配備有相同的參考標(biāo)記，并且不再重復(fù)對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和功能的說(shuō)明。所施加的電壓可以被調(diào)諧，以引起在波導(dǎo)926中傳輸?shù)臉O化光子的狀態(tài)中的相位調(diào)節(jié)，所述相位調(diào)節(jié)在數(shù)學(xué)上可以用下面的算子來(lái)表示4>-exp[!.(2;rw-0)]其〗"=0,±1/2,±1,±3/2,±2,是可以由施加到波導(dǎo)928的電壓確定的相位調(diào)節(jié)參數(shù)。施加到波導(dǎo)926兩端的電壓引起的相位調(diào)節(jié)在數(shù)學(xué)上由下式表示W(wǎng)^(IO,W',〉,〉,')=|巧當(dāng)電壓被調(diào)節(jié)到與整數(shù)值的相位調(diào)節(jié)參數(shù)n相對(duì)應(yīng)時(shí)，輸出的極化糾纏光子態(tài)是Bell態(tài)當(dāng)電壓被調(diào)節(jié)到與半整數(shù)值的相位調(diào)節(jié)參數(shù)n相對(duì)應(yīng)時(shí)，輸出的極化糾纏光子態(tài)是Bell態(tài)圖ii例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第三單晶體、極化糾纏光子源1100的示意性平面圖。糾纏光子源1100包括50:50Y形BS1102、周期性極化的類型IIDCC1104、TE/TM才莫式轉(zhuǎn)換器1106以及Y形組合器1108,所有這些都是嵌入在單個(gè)傳輸層1112中的部件。傳輸層1112可以是z切割的非線性晶體，諸如鈮酸鋰、KTP、KTA,(3-BBO、或者任何其它合適的非線性晶體或者電光聚合物。糾纏光子源1100還包括嵌入在傳輸層1112中的若干帶狀波導(dǎo)。該波導(dǎo)可以是傳輸層1112中被蝕刻以形成隔離的脊波導(dǎo)的區(qū)域，或者是用質(zhì)子或原子摻雜以將波導(dǎo)的折射率增加到大于傳輸層1112的其他部分的區(qū)域，如上文參照?qǐng)D9所述。傳輸層1112可以由Si02、PMMA或者折射率低于傳輸層1112且與波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ú幌喔缮娴娜魏纹渌?未示出)來(lái)支撐。糾纏光子源1100從泵浦束源(未示出)接收處于水平極化相干態(tài)或垂直極化相干態(tài)的泵浦束。該泵浦束可以是在波導(dǎo)1114中輸入的連續(xù)電磁波或者電磁波脈沖。糾纏光子源1100在波導(dǎo)1116中輸出極化糾纏光子，該光子所處的狀態(tài)由下式表示w-士H,》+，〉風(fēng))波導(dǎo)1116可以連接到量子計(jì)算機(jī)、量子信息處理器或存儲(chǔ)設(shè)備、量子密碼設(shè)備、量子遠(yuǎn)距傳物設(shè)備或其它基于光學(xué)的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。下述討論描述了使用處于水平極化狀態(tài)的泵浦束1〉p1122來(lái)產(chǎn)生處于狀態(tài)^〉的極化糾纏光子。50:50Y形BSU02在波導(dǎo)1114中接收泵浦束!"h〉M122,并且輸出處于下面給出的狀態(tài)的相干線性疊加的兩路相關(guān)的(dependent)泉浦束其中i""、表示在第一波導(dǎo)1124中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束；和^"、表示在第二波導(dǎo)1126中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束。類型IIDCC1104將在第一波導(dǎo)1124中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束'"h〉'p轉(zhuǎn)換成一對(duì)水平和垂直極化的信號(hào)光子和閑頻光子，如下所示類型//K、—UK,'并且將在第二波導(dǎo)1126中傳輸?shù)乃綐O化泵浦束i""、轉(zhuǎn)換成另一對(duì)水平和垂直極化的信號(hào)光子和閑頻光子，如下所示類型//|《—l"〉J^TE/TM模式轉(zhuǎn)換器1106接收由乘積態(tài)I"〉"IF〉"表示的水平極化的信號(hào)光子和垂直極化的閑頻光子，并且輸出由乘積態(tài)1F〉"I表示的垂直極化的信號(hào)光子和水平極化的閑頻光子，如上文參照?qǐng)D3所述。Y形組合器1108接收在波導(dǎo)1124中傳輸?shù)奶幱跔顟B(tài)l"J^〉i'的光子對(duì)，以及在波導(dǎo)1126中傳輸?shù)奶幱跔顟B(tài)^〉2i『、的光子對(duì)，并且在波導(dǎo)1116中輸出處于狀態(tài)^〉的極化糾纏光子。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，可以通過在內(nèi)部波導(dǎo)1124和1126中的一個(gè)的兩端施加電壓來(lái)調(diào)節(jié)由信號(hào)光子和閑頻光子獲得的相位差6。的電極的第四單晶體、極化糾纏光子源1200的示意性平面圖。除了位于波導(dǎo)1126的相對(duì)側(cè)的電才及1202和1204之外，糾纏光子源1200與圖11所示的糾纏光子源1100相同。為了簡(jiǎn)便，在糾纏態(tài)源1100和1200中結(jié)構(gòu)上等同的部件配備有相同的參考標(biāo)記，并且不再重復(fù)對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和功能的說(shuō)明。施加在波導(dǎo)1126兩端的電壓可以-故調(diào)諧，以引起在數(shù)學(xué)上用上文參照?qǐng)D10描述的算子$表示的相位調(diào)節(jié)。當(dāng)波導(dǎo)1126兩端的電壓被調(diào)節(jié)到與整數(shù)值的相位調(diào)節(jié)參數(shù)n相對(duì)應(yīng)時(shí)，輸出的極化糾纏光子態(tài)是Bell態(tài)l一卜士H,》命〉,》)當(dāng)波導(dǎo)1126兩端的電壓被調(diào)節(jié)到與半整數(shù)值的相位調(diào)節(jié)參數(shù)n相對(duì)應(yīng)時(shí)，輸出的極化糾纏光子態(tài)是Bell態(tài)k卜，m卡〉,"圖13例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的第五單晶體、極化糾纏光子源1300的示意性平面圖。該糾纏光子源1300包括50:50電子控制的BS1302、周期性極化的類型IDCC1304、TE/TM才莫式轉(zhuǎn)換器1306以及電子控制的極化組合器1308,所有這些都是嵌入在單個(gè)傳輸層1312中的部件。傳輸層1312可以是z切割的非線性晶體或電光聚合物，如上文參照?qǐng)D9和11所述。糾纏光子源1300還包括若干帶狀波導(dǎo)，所述帶狀波導(dǎo)可以如上文參照?qǐng)D9所示的第一糾纏光子源900所述的那樣來(lái)配置。傳輸層1312可以由Si02、聚(曱基丙烯酸甲酯)("PMMA，，)或者折射率低于傳輸層1312且與波導(dǎo)中的電磁輻射傳輸相干涉的任何其它基底(未示出)來(lái)支撐。糾纏光子源1300在波導(dǎo)1314或波導(dǎo)1316中從泵浦束源(未示出)接收處于水平極化相干態(tài)或垂直極化相干態(tài)的泵浦束。該泵浦束可以是在波導(dǎo)1314或波導(dǎo)1316中輸入的連續(xù)電磁波或者電磁波脈沖。電子控制的BS1302和電子控制的極化組合器1308可以被調(diào)諧，使得糾纏光子源1300輸出處于狀態(tài)^〉的極化糾纏光子。極化糾纏光子可以在波導(dǎo)1314或波導(dǎo)1316中被輸出。波導(dǎo)1314和1316可以連接到量子計(jì)算機(jī)、量子信息處理器或存儲(chǔ)設(shè)備、量子密碼設(shè)備、量子遠(yuǎn)距傳物設(shè)備或其它基于光學(xué)的設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，可以通過在波導(dǎo)1314和1316中的一個(gè)的兩端施加電壓來(lái)調(diào)節(jié)由處于糾纏光子態(tài)^〉的信號(hào)光子和閑頻光子獲得的相位差6。圖14例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的并且包括用于在波導(dǎo)兩端施加電壓的電極的第六單晶體、才及化糾纏光子源1400的示意性平面圖。除了位于波導(dǎo)1316的相對(duì)側(cè)的電極M02和1404之外，糾纏光子源1400與圖13所示的糾纏光子源1300等同。為了簡(jiǎn)便，在糾纏態(tài)源1300和1400中結(jié)構(gòu)上等同的部件配備有相同的參考標(biāo)記，并且不再重復(fù)對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和功能的說(shuō)明。施加給波導(dǎo)1314兩端的電壓可以被調(diào)諧，如上文參照?qǐng)D10所述，以引起處于糾纏光子態(tài)W的光子中的相位調(diào)節(jié)，以便輸出處于極化糾纏光子Bell態(tài)W+〉和W—〉的極化光子。盡管已經(jīng)根據(jù)特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但并非旨在將本發(fā)明局限于這些實(shí)施例。在本發(fā)明的精神內(nèi)的修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，傳輸層912、UU以及1312可以是薄膜非線性晶體或薄膜電光聚合物。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，附加電極可以用于補(bǔ)償制造不準(zhǔn)確性，諸如相位偏移或耦合率(couplingratio)。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，可以添加附加的波導(dǎo)元件，以將信號(hào)束和閑頻束組合到相同的波導(dǎo)上或者分開到不同的波導(dǎo)上。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，傳輸層912可以是鈮酸鋰，類型IDCC可以是用氧化鎂(MgO)摻雜的周期性極化的鈮酸鋰，其具有大約7.73jum的極化周期。泵浦束可以具有大約532nm的波長(zhǎng)，并且糾纏光子源900輸出具有810nm和1550nm的波長(zhǎng)的信號(hào)光子和閑頻光子。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，傳輸層1112可以是鈮酸鋰，并且類型IIDCC1104和1106可以是用氧化鎂摻雜的周期性極化的鈮酸鋰，其極化周期為大約19.48nm。輸入具有大約780nm的波長(zhǎng)的水平極化泵浦束產(chǎn)生均具有大約1560nm的波長(zhǎng)的簡(jiǎn)并的信號(hào)光子和閑頻光子。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，傳輸層1112可以是KTP,并且類型IIDCC1104和1106可以是極化周期大約為7.85mm的周期性極化的KTP("PPKTP")。輸入具有大約380ntn的波長(zhǎng)的水平極化泵浦束產(chǎn)生均具有大約780nm波長(zhǎng)的21簡(jiǎn)并的信號(hào)光子和閑頻光子。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，非線性晶體可以是KTP,并且類型IIDCC1104可以是極化周期大約為60nm的PPKTP晶體。輸入具有大約655nm波長(zhǎng)的水平極化泵浦束產(chǎn)生均具有大約1310nm波長(zhǎng)的簡(jiǎn)并的信號(hào)光子和閑頻光子。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，使用具有脊波導(dǎo)的非線性晶體或電光聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)糾纏光子態(tài)源900、1000、1100、1200、1300以及1400。圖15例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的具有脊波導(dǎo)的單晶體、極化糾纏光子源1500的示例。在圖15中，糾纏光子源1500包括與糾纏光子源900等同的部件。脊波導(dǎo)(諸如脊波導(dǎo)1502)可以被蝕刻到傳輸層中或者用質(zhì)子摻雜或者注入原子，所述質(zhì)子或原子增加波導(dǎo)的折射率。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，糾纏光子態(tài)源900、1000、1100、1200、1300以及1400可以被實(shí)現(xiàn)在光子晶體中。圖16例示了代表本發(fā)明的實(shí)施例的單光子晶體、極化糾纏光子源1600的示例。在圖16中，通過修改光子晶體的幾何形狀，諸如去除空穴或者制造具有不同間距或尺寸的空穴，來(lái)形成波導(dǎo)(諸如波導(dǎo)1602)。糾纏光子源1600包括與糾纏光子源1300等同的部件。在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，50:50BS902和1102可以用不均勻地分離泵浦束的不對(duì)稱BS來(lái)代替，或者BS1302可以被調(diào)諧成不均勻地分離泵浦束。例如，上述的水平極化泵浦束可以按照如下所示的狀態(tài)的相干線性疊加從BS輸出其中oc和P是滿足下述條件的復(fù)數(shù)值的幅度,口為了說(shuō)明目的，前面的描述使用具體的術(shù)語(yǔ)來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可知，某些具體細(xì)節(jié)并非是實(shí)踐本發(fā)明所必須的。給出本發(fā)明的具體實(shí)施例的以上描迷只是為了示例和說(shuō)明。它們并非意在窮盡本發(fā)明，或者將本發(fā)明限制到所公開的精確形式。顯然，基于上述教導(dǎo)能夠進(jìn)行大量修改和變型。示出并描述這些實(shí)施例是為了更好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠按照對(duì)預(yù)期的特定用途所適用的來(lái)最佳地使用本發(fā)明和具有各種修改的各個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明的范圍旨在由下面的權(quán)利要求書及其等同物來(lái)限定。權(quán)利要求1、一種極化糾纏光子態(tài)源，包括單個(gè)傳輸層(912，1112，1312，1500，1600)，其被配置為傳輸電磁輻射；嵌入在所述傳輸層中的分束器(902，1102，1302)，其被配置為接收泵浦束并輸出第一泵浦束和第二泵浦束；嵌入在所述傳輸層中的下轉(zhuǎn)換設(shè)備(904，1104)，其被配置為接收所述第一泵浦束并且輸出第一信號(hào)束和第一閑頻束，以及接收所述第二泵浦束并且輸出第二信號(hào)束和第二閑頻束；嵌入在所述傳輸層中的模式轉(zhuǎn)換器(906，1106，1306)，其被配置為將所述第一信號(hào)束和所述第一閑頻束兩者的電場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)分量，并且將所述第一信號(hào)束和所述第一閑頻束兩者的磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)分量；以及嵌入在所述傳輸層中的組合器(908，1108，1308)，其被配置為接收所述第一和第二信號(hào)束以及所述第一和第二閑頻束，并且輸出處于糾纏態(tài)的所述第一和第二信號(hào)束以及所述第一和第二閑頻束。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的源，其中，該非線性晶體還包括z切割的非線性晶體，所述z切割的非線性晶體包括下列中的一種Li跳；KTP;KAPjP-BBO;以及電光聚合物。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的源，其中，所述分束器(902，1102,1302)還包括下列之一Y形分束器(500);和電子可調(diào)諧的分束器(510)。4、根據(jù)權(quán)利要求l所述的源，其中，所述下轉(zhuǎn)換設(shè)備(810,904,1104，1304)還包括單個(gè)下轉(zhuǎn)換晶體，其被配置為接收所述笫一泵浦束并且輸出所述第一信號(hào)束和第一閑頻束兩者，以及接收所述第二泵浦束并且輸出所述第二信號(hào)束和第二閑頻束兩者，并且其中，該單個(gè)下轉(zhuǎn)換晶體還包括類型I下轉(zhuǎn)換晶體(904，1304)或類型II下轉(zhuǎn)換晶體(1104)。5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的源，其中，所述模式轉(zhuǎn)換器還包括位于第一電極與第二電極之間的波導(dǎo)，并且所述組合器還包括Y形結(jié)組合器(500)或電子可調(diào)諧的極化組合器(510)。6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的源，其中，所述傳輸層還包括下列之一具有波導(dǎo)的光子晶體(1600);具有脊波導(dǎo)的非線性晶體(1500);以及具有已注入Ti或摻雜質(zhì)子的LiNb03晶體帶的非線性晶體基底(912，1112,1312)。7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的源，還包括夾在兩個(gè)電極(1002,1004,1202,1204)之間的波導(dǎo)，所述電極纟皮配置為在所述波導(dǎo)的兩端施加電壓以便提供相位調(diào)節(jié)。8、一種產(chǎn)生極化糾纏光子態(tài)的方法，該方法包括以下步驟將泵浦束分成第一泵浦束和第二泵浦束；將該第一泵浦束下轉(zhuǎn)換為第一信號(hào)束和第一閑頻束，并且將該第二泵浦束下轉(zhuǎn)換為第二信號(hào)束和第二閑頻束；將該第一信號(hào)束和第一閑頻束兩者的電場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)分量，并且將該第一信號(hào)束和第一閑頻束兩者的磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)分量；以及將所述第一和第二信號(hào)束與所述第一和第二閑頻束進(jìn)行組合，以便獲得處于糾纏態(tài)的所述第一和第二信號(hào)束以及所述第一和第二閑頻束。9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，將泵浦束分成第一泵浦束和第二泵浦束還包括將該泵浦束傳輸通過分束器(902，1102,1302),以及其中下轉(zhuǎn)換該第一泵浦束和第二泵浦束還包括將該第一泵浦束和第二泵浦束傳輸通過下轉(zhuǎn)換晶體，該下轉(zhuǎn)換晶體包括類型I下轉(zhuǎn)換晶體(904,1304)或類型II下轉(zhuǎn)換晶體(1104)。10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，將電場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)分量以及將磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)分量還包括將該第一信號(hào)束和第一閑頻束傳輸通過模式轉(zhuǎn)換器(906，1106，1306),以及其中將所述第一和第二閑頻束與所述第一和第二信號(hào)束進(jìn)行組合還包括將所述第一和第二閑頻束以及所述第一和第二信號(hào)束傳輸通過極化組合器(908，1108,1308)。全文摘要本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例針對(duì)一種用于產(chǎn)生極化糾纏的光子的緊湊系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，極化糾纏光子態(tài)源包括單個(gè)傳輸層(912，1112，1312，1500，1600)，其被配置為傳輸電磁輻射。該傳輸層包括分束器(902，1102，1302)和下轉(zhuǎn)換設(shè)備(904，1104)，它們都被配置為將泵浦束轉(zhuǎn)換為第一和第二信號(hào)束以及第一和第二閑頻束。該傳輸層還包括模式轉(zhuǎn)換器(906，1106，1306)，其被配置為將該第一信號(hào)束和該第一閑頻束二者的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量反轉(zhuǎn)；和組合器(908，1108，1308)，其被配置為接收該第一和第二束以及第一和第二閑頻束，并且輸出處于糾纏極化態(tài)的第一和第二信號(hào)束以及第一和第二閑頻束。文檔編號(hào)G06N99/00GK101553756SQ200780035137公開日2009年10月7日申請(qǐng)日期2007年7月11日優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日發(fā)明者C·桑托里,M·菲奧倫蒂諾,R·博索萊爾,S·斯皮萊恩申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司