一种基于纠缠的多功能集成式实验仪及实验系统的制作方法

本发明涉及量子光学，尤其涉及一种基于纠缠的多功能集成式实验仪及实验系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、单光子干涉是指只有一个光子参与干涉实验的现象，主要揭示了光子的粒子性和波动性。而双光子干涉是指两个光子之间发生的干涉现象，通常用于量子通信和量子计算中。随着量子力学的发展，科学家们开始意识到量子系统的相干性和干涉现象的重要性。双光子干涉作为量子光学中的一种重要现象，具有许多独特的性质和潜在的应用价值。双光子干涉实验模块是基于hong-ou-mandel干涉实验方案，是量子光学实验中的一个重要技术，已被应用于量子密钥分发、线性光学量子计算等领域，是演示光子全同性和非经典聚束效应的重要实验。

3、纠缠光子的干涉被用来检测和操作纠缠态，从而实现量子信息的传输，作为一种传递量子态的重要通信方式，量子隐形传态是量子通信与量子力学的基础知识，因此在量子信息科学专业具有十分重要的地位。虽然单光子干涉、双光子干涉和量子隐形传态是三个不同的概念，但它们都涉及到量子力学中的干涉现象和纠缠态。

4、因此，学习单光子干涉、双光子干涉和量子隐形传态可以更深入地理解量子力学的原理和应用，有助于推动科研创新，对于未来的量子通信和量子网络的发展具有重要意义。然而，目前的量子信息科学教育还处于起步阶段，缺少这方面的教学设备，这三个实验相对复杂，需要借助专业光学实验设备才能完成，光学元件调节起来较为复杂，需要较高的实验条件和技术水平，包括对光子源、探测器、光学元件等的精确控制和操作。这就大大限制了本科阶段的量子力学、量子信息科学专业在单光子干涉、双光子干涉和量子隐形传态实验教学上的开展。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于纠缠的多功能集成式实验仪及实验系统，本发明基于量子纠缠系统，增加了单光子干涉实验模块、双光子干涉实验模块以及量子隐形传态实验模块，将量子纠缠系统作为光源，实验中仅需将量子纠缠系统的其中一条或两条光路使用光纤连接各个模块的输入端即可，从而进行各个模块的实验，丰富了实验内容，拓展了学生的知识储备。本发明将所用到的所有器件固定在光学面板上的同时也保留了一部分的调节空间，使学生能够在锻炼动手能力的同时，又可以大大提高实验效率，从而方便了量子力学实验教学上的开展。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种基于纠缠的多功能集成式实验仪。

4、一种基于纠缠的多功能集成式实验仪，包括：安装在光学面板上的量子纠缠系统和实验模块，所述量子纠缠系统通过光纤连接的实验模块；

5、所述量子纠缠系统，用于产生光源；

6、所述实验模块，采用用于进行单光子干涉实验的单光子干涉实验模块、采用用于进行双光子干涉实验的双光子干涉实验模块、或采用用于进行量子隐形传态实验的量子隐形传态实验模块；

7、所述单光子干涉实验模块通过第一光纤耦合器发射的单光子光路在第一分光棱镜处分为两路光，并经反射后在第一分光棱镜处汇合后发生干涉；所述双光子干涉实验模块通过第三光纤耦合器发射一路光，通过第五光纤耦合器发射另一路光，这两路光在第二分光棱镜处发生干涉；所述量子隐形传态实验模块通过第七光纤耦合器提供量子隐形传态测量所需的纠缠光子，通过第八光纤耦合器提供量子隐形传态测量所需的待传输未知初态，通过多个光纤耦合器测量双光子的塌缩情况。

8、进一步地，所述单光子干涉实验模块的一条光路包括：沿光路方向依次排列的第一光纤耦合器、第一分光棱镜、第一平面反射镜、第一分光棱镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一滤光片和第二光纤耦合器；另一条光路包括：沿光路方向依次排列的第一光纤耦合器、第一分光棱镜、第四平面反射镜、第一分光棱镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一滤光片和第二光纤耦合器。

9、更进一步地，所述第一平面反射镜安装在第一平移台上，通过调节第一平移台的位置改变两条光路的光程差，在两路光程差相等时，在第一分光棱镜处发生单光子干涉。

10、更进一步地，所述第一平面反射镜和第四平面反射镜的入射角均为0度，所述第二平面反射镜和第三平面反射镜的入射角均为45度。

11、更进一步地，所述单光子干涉实验模块还连接电子控制系统，用于记录单光子干涉实验模块实验过程中的光子数，所述电子控制系统包括第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第一单光子探测器通过光纤连接第二光纤耦合器，所述第二单光子探测器通过光纤连接量子纠缠系统，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均通过射频线连接符合计数器。

12、进一步地，所述双光子干涉实验模块的一条光路包括：沿光路方向依次排列的第三光纤耦合器、第五平面反射镜，第一二分之一波片、第二分光棱镜、第六平面反射镜以及第四光纤耦合器，另一条光路包括：沿光路方向依次排列的第五光纤耦合器、第七平面反射镜、第二分光棱镜、第二二分之一波片、第八平面反射镜和第六光纤耦合器。

13、更进一步地，所述第三光纤耦合器安装在第二平移台上，通过调节第二平移台的位置改变两端输入的单光子到达第二分光棱镜的时间差，在所述时间差为零时，两路单光子在第二分光棱镜处发生干涉。

14、更进一步地，所述双光子干涉实验模块还连接电子控制系统，用于记录双光子干涉实验模块实验过程中的光子数，所述电子控制系统包括第一单光子探测器和第二单光子探测器，所述第一单光子探测器通过光纤连接第四光纤耦合器，所述第二单光子探测器通过光纤连接第六光纤耦合器，所述第一单光子探测器和第二单光子探测器均通过射频线连接符合计数器。

15、进一步地，所述量子隐形传态实验模块包括：第七光纤耦合器、第八光纤耦合器、第九光纤耦合器、第十光纤耦合器、第十一光纤耦合器、第十二光纤耦合器和量子隐形传态测量装置；所述量子隐形传态测量装置包括第一偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第二偏振分束器和第三偏振分束器；所述第一偏振分束器、第二偏振分束器和第三偏振分束器，用于透射水平偏振光并反射垂直偏振光；所述第一半波片和第二半波片，用于操纵光子的偏振态。

16、本发明的第二个方面提供一种基于纠缠的多功能集成式实验系统。

17、一种基于纠缠的多功能集成式实验系统，包括第一个方面所述的基于纠缠的多功能集成式实验仪和上位机，所述多功能集成式实验仪连接上位机。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、本发明提供了一种基于纠缠的多功能集成式实验仪，将单光子干涉、双光子干涉和量子隐形传态做成模块，将量子纠缠系统的其中一条支路作为光源，用光纤分别连接到各个模块的输入端即可进行单光子干涉、双光子干涉和量子隐形传态的实验，可以简化操作流程，减少设备数量和复杂的连线要求，更加方便操作。将单光子干涉、双光子干涉和量子隐形传态集成在一台仪器上可以提供更多便利和灵活性，同时促进多领域的研究和应用，逐步推动量子技术的发展和应用。

20、本发明集成多种量子技术可以在实验过程中减少交叉实验的需求，同时提高实验的效率。学生可以在同一仪器上进行多种实验，减少仪器占用和重复性的调试工作，提高了实验效率。

21、本发明不仅对传统物理实验教学内容进行了更新，提升了课程的深度与难度，还为培养大学生的创新实践能力提供了有益的探索和尝试。