通过非线性晶体中的自发参量下转换过程产生的纠缠光子源通常是概率性和随机性的，这限制了这种纠缠光子源在量子信息领域的进一步应用。解决途径之一是通过探测辅助光子来确定性的产生纠缠态，被称为可预知的产生纠缠态。以可预知的方式可以产生不同类型的纠缠光子源，例如高效集成的产生可预知的单光子纠缠源，在量子网络、量子密码以及大规模的光量子计算等方面具有重要意义。与其他类型的纠缠相比，光子纠缠源较容易制备，而且容易操控使得光量子信息处理是众多量子信息处理方案中具有较多的优势。光子纠缠态的应用已相当广泛，如量子密钥分配、量子成像、量子隐形传输、量子计算机，此外还有量子密集编码、量子时钟同步、量子测距等等[2]。

在有些非线性光学晶体中可以设计各种极化畴调制结构满足多重准相位匹配，从而制备各种不同类型的高亮度光子纠缠源，例如用光学超晶格中制备纠缠光子源。本文将讨论的内容有：纠缠态的概念和纠缠态在信息科技中的应用、双光子纠缠源的产生、可预知单光子模式纠缠源的产生、应用。基于多重准相位匹配原理，提出在二维准周期光学超晶格中集成制备可预知的单光子五维模式纠缠源的理论方案。该理论方案可以直接推广到制备可预知的单光子更高维度模式纠缠源的情况。另外还提出在二维准周期的铌酸锂中集成制备可预知的单光子三维空间模式纠缠源的理论方案。

1.1  纠缠态

1935年是个不同寻常的年份，爱因斯坦、波多尔斯基和罗素三位科学家在一篇文章中描述了一类非经典的量子态，后来被称为EPR佯谬；薛定谔在他的文章中正式的给出了量子纠缠态的概念。纠缠态是指多系统组成的复合量子体系不能表示为各子系统张量直积形式。对于两个子系统组成的复合量子系统，纠缠态即

建立与量子力学理论基础之上的量子信息科学研究的主要方向之一就是制备纠缠态的相关理论研究和实验实现。纠缠态包含着量子系统中各个子系统之间的不确定性和相关性。量子纠缠源是量子信息学的核心资源，各种高效、稳定、集成的纠缠源的制备对量子信息科学和量子计算领域的发展起到非常重要的作用。

1.2  现代信息科学中对纠缠的应用源.自|优尔,:论`文'网www.youerw.com

在对量子纠缠态的不断研究过程中，人们发现了纠缠态具有的特殊量子关联特性，这样的特性使它在量子信息领域的美好发展前景跃然纸上。光子纠缠态能够承载量子信息，在量子计算和量子通信领域有广泛而重要的作用，下面我们将介绍纠缠态在量子信息领域的应用。

1.2.1  量子计算

在量子信息域，著名的物理学家Richard Feynman为这项事业做出了突出贡献，他最先提出了量子计算和量子计算机的概念，紧接着shor算法和Grover算法也被相继提出，人们在这方面的研究开始向通信技术、密码技术和计算机科学方面发展，这在世界也引起了广泛的关注。量子计算中包括算式算法、纠错、容错等多方面的研究需求。量子计算较于经典计算而言，其中有一个重要方面就是量子算法的天然并行特性。在经典计算中,只有可编码为0和1的两个状态用来表示信息[10]。量子计算过程的天然并行特性，是指0和1这两种态同时演化，这样就可以在处理某些对于经典计算来说是难题的问题时大显身手。随着问题规模扩大就会使计算的复杂度提升，量子计算运用自身优势解决了这一问题，大大促进了计算向快速简便的方向发展。此外，量子纠缠态在量子计算的其他方面的研究应用也显示出了它独特的优越性。