硅基芯片上的三维纠缠源

发布时间：2020-07-26 10:57

【摘要】：纠缠是量子物理学的一个违反直觉的特征,是量子技术的核心。高维量子态具有独特的量子特性,并在某些量子信息和量子计算任务中较传统技术更有优势,例如量子通信传输信息容量更大,量子计算和量子模拟的并行能力更强等。光子作为信息的载体,具有自由度多、易集成,相干性好等优势,此外,光子在形成多体和多维的纠缠态上具有先天的优势。传统光路设备尺寸庞大,往往系统的相位稳定性个很大的挑战。而集成技术不仅能够缩小设备尺寸,做到小型化集成化多样化,还能够提供稳定的相位和理想的可扩展性。最近集成光子芯片已成为量子纠缠态的产生,操纵和检测的领先平台。在这些研究中,纠缠态被编码在各种模式上,诸如路径,频率等。特别是路径模式,由于概念简单清晰,已被运用于量子信息研究。我们报告了一种硅光子芯片,它使用新型干涉共振增强的光子对光源(DMZR),光谱波分复用器和高维可重构线路来生成,操纵和分析路径纠缠的三维纠缠态,即qutrits。通过优化片上电和热串扰,我们获得高于96.5%可见度的量子干涉,最大纠缠态保真度达到了95.5%。我们进一步探索纠缠的qutrits的基本属性来测试量子非局域性和互文性性。并实现了图论的量子模拟和高精度光学相位测量。我们的工作为多光子高维量子技术的发展铺平了道路。本论文主要的研究内容包括以下几个方面:(1)研究片上干涉共振增强谐振环的工作原理,我们通过传输矩阵与链式矩阵的方法计算了新型光源的透射谱,然后讨论并分析了它在什么情况下能够达到最优的工作状态,并将它与传统谐振环结构进行了比较,说明了它在作为片上集成纠缠光子对源的优越性。然后我们通过实验验证了这一推断,给出了实验上优化调节该种光源的方案,并计算有关参数,验证其能够有效的工作。(2)我们在理论上研究了在qubit情况下通过分离相干泵浦产生的关联光子对形成纠缠源的概念方案,然后给出了将其推广到高维情况下的实验方案和我们的芯片设计图。我们在理论上研究了qubit情况下,路径纠缠态和源全同性的关系,据此给出了在量子实验中优化该路径纠缠源的方法,指出了作为判断的参数指标;并在之后通过实验数据展示了整个流程,由此完成了最大纠缠态的制备工作。我们通过量子层析技术,对产生的量子态进行刻画,并得到较高的保真度。我们在这节中还展示了我们对于实验细节的把握,包括对片上电与热串扰的表征和控制技术等,为规模片上量子系统的表征提供解决方案。(3)在证明能够产生并精密操纵这样的高维纠缠源后,我们在实验完成了对高维bell不等式的测量,并证伪了局域隐变量模型;同时基于此高维纠缠态实现了无相容性漏洞的量子互文性验证。我们还将这个源用于验证图论的量子模拟实验的可行性,以及实验了用于量子高精度相位测量时,高于传统三路径干涉仪的相位测量的敏感度。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TN491
【图文】：

量子态,方框,球面

＼ｉｆ／）邋＝邋ｃｏｓｄ邋｜０）邋＋邋ｅ，，ｆｓｉｎ６＼＼）逦（１－１）逡逑我们通常在所谓的Ｂｌｏｃｈ球上表示这样一个量子态，如下图１－１红色箭头指向逡逑ｉ0）逦ｃｐ邋＝０逡逑＃＞逡逑ｉ＋／＞逡逑图１－１：邋Ｂｌｏｃｈ球上的量子态［２］逡逑球面上的点代表这个态，当处在绿色方框所标出的截面上时，＾邋＝邋０，态的两项逡逑

界面图,界面图,芯片

这个方程被称为截面向量Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程，本征值为炉－Ｐ。对全空间积分后逡逑求解方程本征值就可得到相应模式的传播常数／？与ｎｅｆｆ。在寻找解时我们把电场逡逑振动方向沿着ｘ方向的解称为ＴＥ模，把沿着ｙ方向的解称为ＴＭ模。另外，逡逑按照０邋（或？ｆｆ）由小到大排列，最小的称为基模，其他相应为高阶模。逡逑值得一提的是，如果考虑材料存在损耗，我们可以将方程中的传播常数０逡逑与材料折射率ｋ替换为复传播常数Ｂ与复材料波矢Ｋ，其中，复传播常数为逡逑Ｂ邋＝邋Ｊ３邋＋邋ｉａ逦（１－６）逡逑ａ是材料的损耗系数，指波传播单位距离后振幅变为原来的ａ倍。由于在一般逡逑情况下求解方程１－５比较困难，人们一般采用电脑帮助求解数值解。这里我们采逡逑用ＦＤＴＤ软件ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｌｖｅｒ求解。我们采用波导的ｘ方向与ｙ方向宽度逡逑分别５００ｎｍ与２２０ｎｍ，计算结果如下图１－３，可以认为在一定波长范围内，？ｅｆｆ逡逑与波长呈一次函数关系如图。值得注意的是，我们刚刚讨论的过程都建立在直逡逑角坐标系下，如果讨论的光波不沿直线传播我们可以采用［３０］中的方法得到等逡逑，ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｖｅｒ一

TE模式,基模,波导,常温

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