基于多个冷原子系综的量子网络

发布时间：2020-06-15 02:12

【摘要】：构建量子网络就是实现多个远距离的量子存储器之间的量子纠缠,它使得多方量子通信成为可能,同时还能够应用于分布式量子计算、分布式量子精密测量和大尺度空间下的基础物理检验等领域。由于光能够携带信息进行传输,非常适合用于连接不同的量子存储器,因此产生高品质的光与量子存储器之间的纠缠很有必要。现在有很多物理体系用于量子存储,其中,冷原子量子存储器由于在读取效率、寿命等综合水平中占优而备受青睐。并且冷原子系综中还能直接产生光与原子的纠缠,特别适合用于量子网络。在这篇论文中,我们正是基于多个冷原子系综展开研究。首先我们通过使用环形腔来增强光与原子的作用,提高量子存储器的内禀读出效率,同时通过设置控制光与腔不共振而信号光与腔共振,避免了额外的滤波装置,大大提升了光与原子纠缠的亮度。然后,我们通过对极化、多激发事例等内容展开的研究使得我们能够提升光与原子纠缠的保真度。以此为基础,我们结合全同光子的干涉,成功实现了高保真度的纠缠交换操作,进而使得我们成功连接了三个量子网络节点,第一次实现了三个冷原子系综的GHZ态纠缠和三个冷原子系综、三个光子的六体纠缠。更进一步的,为了扩展量子节点间的距离,我们将量子频率转换技术应用起来,成功获得了通讯波段光子与原子的非经典关联,从而实现了相距50km的两个冷原子系综之间的纠缠。此外,我们利用冷原子系综在实验上同时产生三个频率完全可区分的光子,第一次开展了非全同光子在时间分辨测量下的三光子干涉实验,为将来提高量子网络的兼容性奠定了基础。本论文中完成的多个原子系综的纠缠连接和非全同光子干涉的相关研究成果能够极大地促进关于量子网络的研究。在今后进一步研究中可以通过结合里德堡原子产生确定性光与原子纠缠、长寿命量子存储来提升连接网络节点时的成功率,促进全球化量子网络的实现。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413
【图文】：

示意图,隐形传态,贝尔,示意图

处与Ｃ处早先己经建立好了一个ＥＰＲ纠缠态｜屯＋〉＾；。即有：逡逑？丨屮＋〉丑Ｃ邋＝歹［丨少＋〉NB丑（卢｜0〉。＋…１〉６0逡逑＋邋Ｉ伞－〉NB丑（－卢｜0〉ｃ邋＋邋ａ｜ｌ〉ｃ）逦（ｊ邋ｉ）逡逑＋邋｜＾＋）ａｂ（＾｜0）ｃ邋＋邋／５｜ｌ）ｃ）逡逑＋邋｜＾￣）ａｂ（＾｜0）ｃ邋￣邋＾｜ｌ）ｃ）］逡逑其中逡逑Ｖ逦（１．２）逡逑ｌ＾）邋＝邋＾（ｌ0）ｌ0）±｜ｉ）｜ｉ））逡逑这四个贝尔态构成了二维Ｈｉｌｂｅｒｔ空间里的完备基矢。这样通过对Ａ、Ｂ两处之逡逑间的量子比特做贝尔测量，通过测量的结果，Ａ、Ｂ之间的量子态将会塌缩到四逡逑个贝尔态中的一个，Ｃ处留下的量子比特也将对应塌缩到相应的量子态，并且携逡逑带有信息ａ、Ａ这时只需将贝尔测量结果用经典信道传输至Ｃ，通过对单比特逡逑，可Ａ处一子比，也是通过对Ａ、Ｂ的测量逡逑

示意图,能级结构,光纤,光子

为了能在陆地上解决远距离的两个网络节点连接时的光子损耗问题，在１９９８逡逑年，Ｈ．Ｊ．Ｂｒｉｅｇｅｌ，邋Ｗ．Ｄｕｒ，Ｊ．Ｉ．Ｃｉｒａｃ邋与邋Ｐ．Ｚｏｌｌｅｒ邋四人提出了量子中继的概念［２４］，逡逑其基本的原理示意图如图１．３所示。由于光损耗会随距离的增长而指数级上升，逡逑因此传输距离有限，要想实现远距离Ｌ的Ａ、Ｚ两个节点间的连接，最好的方式逡逑也是设立中继站，使得光子的传输只局限在中继站之间的较小距离Ｌ0邋（如Ａ、Ｂ逡逑之间），如图所示，在Ａ、Ｚ之间设立中继节点并直接建立Ａ、Ｂ，邋Ｃ、Ｄ，邋Ｗ、Ｘ和Ｙ、逡逑Ｚ之间的纠缠，进一步对节点Ｂ、Ｃ和Ｘ、Ｙ做贝尔测量（Ｂｅｌｌ邋ｓｔａｔｅ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，逡逑ＢＳＭ），实现纠缠交换，获得Ａ、Ｄ，Ｗ、Ｚ之间的纠缠，最后再对Ｄ、Ｗ做ＢＳＭ，逡逑这样就能获得Ａ、Ｚ之间的纠缠，可用于实现量子信息从Ａ传递到Ｚ。在整个过逡逑程中，光子将不再是直接传输Ｌ的距离引起的损耗，而是多个光子分别各自传输逡逑Ｌ0时的损耗

【参考文献】