光场量子态的远程传输研究

发布时间：2020-07-16 02:57

【摘要】：二十世纪以来,随着量子力学理论的发展,量子理论在人们的不断探寻中愈发清晰。最近几十年,量子力学和经典光学的结合使得量子光学成为了一门举世瞩目的学科,催生了越来越多的不同种类的量子光学系统,各种量子光学系统反过来又可以用于量子力学原理的深入研究。相比于其他量子系统,光学量子系统因为更容易搭建而得到广泛的应用。近些年,量子力学和信息论的结合也引起人们对量子信息的研究兴趣。由于量子态本身具有不确定性、不可克隆性,量子信息研究在量子通信、量子模拟、量子精密测量、量子计算等领域均取得了显著的研究进展。目前,量子信息研究中的量子密钥分发的方案在理论和实验技术上都已相当成熟,甚至已经发展到了商用化的阶段。随着其他量子信息研究的深入发展,目前人们开始准备将量子信息实用化,并构建实用化的量子网络。因此在长距离信道中传输量子态是量子信息网络发展的重要任务,而光纤作为光信息传输的重要传输通道,对光量子态的传输具有天然的优势。而连续变量量子态光场具有制备确定性,探测时不需要后续选择的特点,所以实现量子态光场在光纤中的远距离传输的研究对构建一个无条件的连续变量量子通信网络就显得尤为重要。为此,本论文主要为实现一个实用化的连续变量量子通信网络,分别开展了自动锁定系统、低噪声探测器研制、量子态光场在光纤通道传输的研究。本主要研究内容如下:1.在一般的量子光学实验中,需要对实验系统及多个光场之间的相对位相进行锁定,基于PDH锁频技术和锁相放大器锁相技术使用的仪器较多,占地面积大,操作过程繁琐,限制了实验系统的规模且不利于系统集成。我们设计了基于微控制器(MCU)的自动锁定和控制系统,利用模数转换识别信号,通过MCU完成相关数据分析和计算,再由数模转换完成信号输出,实现了系统的自动锁定,而且在失锁发生后,能自动切换工作模式,实现重新锁定。2.在非经典光场的探测方面,由于实验需求的不同,对探测器的要求也不同。我们根据实验室的实际需求,设计了诸如用于探测高频连续变量量子态,低频量子态,脉冲量子态光场和弱光信号等不同类型的光电探测器。相比以前的探测器,在信噪比,增益,带宽,抗干扰等方面有不同程度提升。3.在量子态的传输方面,由于光纤引入的损耗及额外噪声随光纤长度而快速增加,而非经典光场对信道损耗和额外噪声都非常敏感,普通的光纤传输方式必然会给量子态带来额外的损失,甚至导致其量子特性的消失。我们研究了光纤通道主要噪声来源和抑制方法,理论上提出并实验上实现了一种适用于连续变量非经典态传输和测量的偏振和时间复用方法,使得最终量子态的传输及测量不受光纤损耗及额外噪声的影响。同时,我们利用在光纤通道中完成了无条件量子态的量子离物传态实验,当传输距离达到6千米时,所恢复量子态的保真度可以达到0.62,突破了经典传态的边界。本文的创新之处为:1.针对量子光学实验系统中复杂繁琐的锁定系统,我们设计了自动锁定系统,实现了系统的自动锁定,而且在失锁发生后,能自动切换工作模式,实现重新锁定。提高了实验效率,精简了实验系统。2.对量子光学实验中的各类探测器进行了改进研究,理论分析了各种不同应用探测器的设计条件,其噪声水平及测量频率带宽较以前探测器均有显著提升。3.分析了光纤通道噪声对量子态传输的影响特性,并提出了可减少连续变量量子态传输噪声的方案,使得压缩态光场可以在光纤中传输20千米后依然保持非经典特性,并在此技术上实现了6千米的量子态确定性离物传送。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413
【图文】：

2GHz光电探测器

相空间正交振幅压缩态光场噪声示意图

利用平衡零拍探测系统进行EPR关联测量图

【参考文献】

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本文编号：2757419