光学薛定谔猫态幅度操控和量子导引交换

发布时间：2020-05-03 16:54

【摘要】：量子信息科学以量子力学基本原理为基础,利用量子系统的特性,包括量子纠缠、量子并行、量子不可克隆等,对信息进行编码、传输和计算,在运算速度、信息容量、检测精度和信息安全等方面突破经典极限,具有良好的应用前景,对人类社会的发展发挥巨大的推动作用。量子态的制备和操控是开展量子信息研究的基础。在制备量子态的基础上,采用相应的技术手段对量子态进行操控和测量,即可实现量子信息处理。量子态多种多样,例如:单光子态、纠缠光子对、压缩态光场、纠缠态光场等。不同的量子态有不同的应用,能够完成不同的量子信息处理任务。薛定谔猫态是一种相干叠加态,在探索基本物理问题方面(例如Bell不等式的实验验证、探索量子世界和经典世界的边界等)具有重要的科学意义。同时,薛定谔猫态是一种重要的量子资源,在量子计算、量子测量等方面有重要的应用价值。我们开展了光学薛定谔猫态制备和幅度操控的实验研究,为基于光学薛定谔猫态的量子信息处理奠定了基础。量子导引(Quantum steering)是介于量子纠缠和贝尔非定域性之间的特殊量子关联,具有天然不对称性,为量子信息的进一步发展提供了量子资源。量子信息网络的构建在量子信息科学发展中具有十分重要的地位,那么如何构建量子导引网络呢?我们将纠缠交换技术应用于量子导引,使两个局域量子网络之间建立量子导引,构成广域量子网络,为利用量子导引进行量子通信提供参考。本文的主要研究内容如下:1.我们利用外腔倍频的方法产生397.5 nm倍频光,为光学参量放大器提供了泵浦光。实验中分别采用PPKTP和LBO两种非线性晶体,获得了高效的倍频光输出。并利用光学参量放大器,在泵浦功率为120 mW时,获得了压缩度为-6 dB的单模压缩真空态,这是目前报道的795 nm波段最大的压缩度。2.实验采用从压缩真空态中减去一个光子的方法,制备了小尺度的光学薛定谔猫态。然后利用第二个光学参量放大器,实现了对猫态幅度的确定性放大和操控,获得了尺度达到2.07的光学薛定谔猫态,为光学薛定谔猫态在量子计算和精密测量等方面的应用奠定了基础。3.我们将高斯纠缠交换的方案应用于高斯量子导引。理论分析了两个空间独立、无直接相互作用的EPR纠缠态进行导引交换的可行性,并将此方案推广到了两个高斯多组份纠缠态。此方法可以用于构建大尺度多组份量子导引网络,为利用量子导引实现量子网络通信提供了参考。所完成的研究工作创新之处如下:1.实验制备了795 nm的光学薛定谔猫态,并利用第二个光学参量放大器,首次获得了最大尺度为2.07的放大猫态,实现了对光学薛定谔猫态幅度的确定性操控。2.首次将纠缠交换技术推广到量子导引,提出了两组份和多组份量子导引交换方案。
【图文】：

s。图2.1 真空态和压缩真空态(-3dB)的Wigner函数图 2.1 分别给出真空态和压缩真空态的 Wigner 函数和在相空间的投影。不同于真空态，压缩真空态沿着相空间的一个轴被压缩，，并沿着与其正交的轴被反压缩。2.4.3 双模压缩真空态双模压缩真空态也是重要的高斯态，被定义为

光学薛定谔猫态幅度操控和量子导引交换面依次给出 Fock 的定义式、波函数表示形式和 Wigner 函数形式( )= 0!nann( )( )221 21=2 ! in xnnn x e H x en( )( )( )( )2 22 21, = 2 2 nx pnnW x p e L x p n 是厄密多项式。2.2是给出了光子数为1和2对应的Wigner函数和在相空间的投影。从可以看出 Fock 态的边缘分布不依赖于相位。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O431.2

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本文编号：2647833