基于强弱联合测量的光脉冲特性快速探测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种测量光脉冲特性的探测器。本发明是一个用于探测光脉冲量子态 的系统，其特点是结合使用强测量和弱测量方法，并且可W快速得到测量结果。
【背景技术】
[0002] 在量子力学中，一般认为单个粒子的量子态，原则上不可用实验来测定。然而，测 量通过物理实验制备的由许多粒子组成的系综的量子态是有意义的而且是必要的。单光子 探测是弱光测量技术的核屯、，在量子信息领域具有关键作用。然而，传统的W光电倍增管或 雪崩二极管为基础的单光子探测器的输出只是光子的计数值，而非光子的量子态，该限制 了该探测器的使用范围。另外，目前存在可测量单光子的Wigner函数的探测器，而Wigner 函数与波函数等价，波函数是描述纯态形式的量子态的一种方式，从而该探测器可W获取 单光子的纯态形式的量子态。
[0003] 单光子量子态若限制在有限的时间和空间分布内，则表现为一个光脉冲。测量光 脉冲的量子态是一个十分重要的课题，其有效途径之一是借助线性光学系统的实验元器 件。因为该系统无需真空或绝对零度等极端条件就能展现量子特性，且设备成熟，观测效果 明显，并且现有技术中关于光学系统的理论和实验经验已非常丰富。
[0004]目前已经存在结合使用强测量和弱测量技术，探测光脉冲量子态的方法。强测 量一般是指使被测系统的量子状态塌缩的测量，例如投影测量、P0VM(Positive-化erator ValuedMeasure,正算符值测量）等。传统的投影测量的特点是被测系统与测量仪器的禪 合程度高，经测量后，被测系统会塌缩至测量算子的本征态之一，测量仪器呈现出与该本征 态相对应的本征值。P0VM需要利用投影测量的部分结果，所W该测量也会使量子状态塌 缩。然而，弱测量与强测量方式不一样，其特点是被测系统与测量仪器的禪合程度低，经测 量后，被测系统的状态不会塌缩。利用弱测量和强测量相结合的方式探测光脉冲量子态的 优势在于，可同时得到相对精确的不对易物理量的观测值，该是仅仅使用强测量方式所无 法完成的。
[0005] 现有的结合使用弱测量和强测量技术，探测光脉冲量子态的方案可查阅文献Jeff S.Lundeen,BrandonSutherland,AabidPatel,CoreyStewart,CharlesBamber.Direct measurementofthequantumwavefunction[J].Nature, 2011, 474:188-191 和Charles Bamber,JeffS.Lundeen.Observingdirac'sclassicalphasespaceanalogtothe quantumstate[J].化ysicalReviewLetters, 2014, 112:070405。上述文献公开的现有技 术方案包括一个光脉冲调节装置、一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置， 待测量的光脉冲依次经过上述装置，最后得到测量结果。现有技术方案的原理结构图如图 1所示。
[0006] 尽管现有技术已经能够有效探测光脉冲量子态，但测量过程需要频繁调整光路， 获取最终结果的时间过长。现有技术采用的方法是，首先，在信息读取环节，一个测量时间 段仅记录一个投影方向的结果，通过四次调整投影测量的方向，得到所需的四个不同测量 基下的数据；其次，经过上述四次调整投影方向得到的数据仅代表光脉冲直线分布上一个 点的量子态，还需通过不断移动执行弱测量的元器件位置，得到对应于直线上其它点的数 据，才能最终获得光脉冲量子态的一维直线分布结果。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的测量过程繁琐，获取信息时间过长的不足，本发明要解决 的技术问题是，在测量精度变化不大的情况下，避免探测系统的光路频繁调整，大大缩短获 取光脉冲量子态的时间。
[0008] 本发明的技术方案如下；
[0009] 本发明是一个测量光脉冲量子态的探测系统，包括光脉冲调节装置、弱测量装置、 强测量装置、信息读取装置，其特征在于，在光脉冲调节装置和弱测量装置之间还包括n级 分束器组，第n级分束器组包括2^个50/50分束器，其中n为分束器组的级数，其取值满 足I? 5 0，I为待测光脉冲的光强，0为信息读取装置的噪声水平；从光脉冲调节装 置出射的光进入第一级分束器组，并且该光与第一级分束器组的50/50分束器的分束面的 夹角为45° ;第一级分束器组的出射光为两束特性相同的光，并且分别进入第二级分束器 组的2个50/50分束器，上述出射光分别与对应的50/50分束器的分束面的夹角为45° ; W此类推，经过n级分束器组的n级分束，共出射2"束特性相同的分束光，每条分束光依次 经过一个弱测量装置、一个强测量装置、一个信息读取装置。
[0010] 进一步地，光脉冲调节装置包括位于同一光轴依次放置的一个相位置零器、一个 偏振置零器、一个空间分布放大器；其中，相位置零器为B油inet-Soleit补偿器，偏振置零 器为偏振片，空间分布放大器包括两块凸透镜。
[0011] 更进一步，弱测量装置包括一块半波片、一块透光片和两块遮光板；其中，两块遮 光板相对平行放置；透光片位于两块遮光板之间；透光片的有效通光平面垂直于光传播方 向；半波片位于透光片的有效通光平面之前，且半波片的面积远远小于透光片的面积，半波 片改变入射光偏振方向的角度界满足0° < ^ ^ 30°。
[0012] 更进一步，强测量装置包括一块傅里叶透镜。
[0013] 更进一步，信息读取装置包括=个50/50分束器、一个+45°线偏振光偏振器、一 个-45°线偏振光偏振器、一个右旋圆偏振光偏振器、一个左旋圆偏振光偏振器、四块凹透 镜和四个集成阵列CCD烟large-coupledDevice,电荷禪合元件）；进入信息读取装置的光 首先经过=个50/50分束器被分成四束特性相同的光；其中，第一束光依次通过+45 °线偏 振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD;第二束光依次通过-45°线偏振光偏振器、一 个凹透镜、一个集成阵列CCD;第=束光依次通过右旋圆偏振光偏振器、一个凹透镜、一个 集成阵列CCD;第四束光依次通过左旋圆偏振光偏振器、一个凹透镜、一个集成阵列CCD。
[0014] 更进一步，信息读取装置的另一种方案包括一个通光小孔、一块凸透镜、=个 50/50分束器、一个+45°线偏振光偏振器、一个-45°线偏振光偏振器、一个右旋圆偏振光 偏振器、一个左旋圆偏振光偏振器、四个光电探测器；进入信息读取装置的光依次经过通光 小孔、凸透镜；其中，凸透镜与通光小孔相距一个焦距；该光再经过=个50/50分束器被分 成四束特性相同的光；其中，第一束光依次通过+45°线偏振光偏振器、一个光电探测器； 第二束光依次通过-45°线偏振光偏振器、一个光电探测器；第立束光依次通过右旋圆偏 振光偏振器、一个光电探测器；第四束光依次通过左旋圆偏振光偏振器、一个光电探测器。
[0015] 本发明可W取得的有益效果是，避免探测系统的光路频繁调整，大大缩短获取光 脉冲量子态的时间。为了达到上述效果，方案中包括多个50/50分束器，且W分级分束形式 排列，使得原本只能在一条光路上执行一个操作，转变为可在分束形成的多条光路上分别 执行操作，而其结果保持与在原光路上的操作结果相一致。上述多个50/50分束器位于光 脉冲调节装置之后时，可在每条分束光路的不同位置处执行弱测量；若将多个50/50分束 器位于信息读取装置内部，则可在每条分束光路上实施不同方向的投影测量。
【附图说明】
[0016] 图1是探测光脉冲量子态的现有技术方案的原理结构图；
[0017] 图2是本发明的原理结构图；
[001引 图3是50/50分束器示意图；
[0019] 图4是光脉冲调节装置内部结构示意图；
[0020] 图5是弱测量装置内部结构S视图，其中（a)是弱测量装置的具体实施例一，化） 是弱测量装置的具体实施例二；
[0021] 图6是强测量装置内部结构示意图；
[0022] 图7是信息读取装置内部结构示意图，其中（a)是信息读取装置的具体实施例一， 化）是信息读取装置的具体实施例二；
[0023] 图8是本发明的一个【具体实施方式】；
[0024] 附图中数字代表的部件如下；11;相位置零器，12;偏振置零器，13;空间分布放 大器，21 ;半波片，22 ;透光片，23 ;遮光板，3 ;傅里叶透镜，411 ;+45。线偏振光偏振器， 412 ;-45°线偏振光偏振器，413 ;右旋圆偏振光偏振器，414 ;左旋圆偏振光偏振器，42 ;凹 透镜，43 ;集成阵列CCD，44 ;通光小孔45 ;凸透镜，46 ;光电探测器，5 ;50/50分束器。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和具体实施例描述本发明。
[0026] 图2是本发明的原理结构图。本发明包括光脉冲调节装置、弱测量装置、强测量装 置、信息读取装置，W及在光脉冲调节装置和弱测量装置之间还包括2D-1个W分级分束形 式排列的50/50分束器，第n级分束器组包括2^个50/50分束器，其中n为分束级数。从 光脉冲调节装置出射的光进入第一级分束器组，第一级分束器组输出两束出射光，该两束 出射光分别进入第二级分束器组