基于光场调控的量子信息实验研究

发布时间：2020-07-19 17:26

【摘要】：量子信息是量子力学和信息论结合的一门新兴交叉学科。量子信息认为信息是物理的,而量子力学是现代物理学的基本理论之一。量子力学中有很多很深刻的性质,比如,量子力学的叠加原理,不确定关系,不可克隆定理以及Bell不等式等等。这些性质对用经典物理描述的信息论产生了深刻的影响。随着量子信息的蓬勃发展,实验上各种系统量子态操作能力的不断提升,又对研究量子力学的基本问题产生了影响。这也是最近兴起第二次量子革命的原因。复杂量子态的制备与操作是量子信息研究中至关重要的一个命题。近几年各个系统也有了较大的发展,比如在超导量子线路实现了 12量子比特的纠缠和18个量子比特GHZ态制备,光子系统内实现了 12光子纠缠,以及集成光学的两体纠缠维度达到了 15维等等。本人博士期间的工作也主要是关于复杂量子态的制备和操作,具体是利用了光场调控技术对量子信息中的一些问题进行了研究。本文将从光场调控中的空间-动量域调控和时间-频率域调控两个方向介绍本人的工作。一、空间-动量域可以分为偏振、空间分布等。关于空间域调控,我们在实验上实现了高保真度的高维轨道角动量量子态的产生和测量。1.单系统量子导引量子导引(Quantum Steering)描述的是通过局域的测量纠缠光子对中的一个光子去导引另外一个光子量子态的能力。我们实验上实现了单系统量子导引,并且研究了其在量子通信中的应用。实验中所需要的高维量子态是通过把信息编码在光子偏振和轨道角动量上实现的,量子维度最高做到了 12维。2.量子系统的非线性维度判定量子系统的维度是很重要的资源,知道维度在量子任务中有重要的意义。我们首次在制备-测量系统中通过非线性维度判定(Dimension Witness)方法实验研究了经典系统和量子系统的维度,其中一个关键点在于制备端和测量端没有共享的随机性。在知道维度的前提下,利用非线性维度判定可以区别经典和量子系统。实验结果展示了该方法在强噪声和低探测效率下也是有效的,具有很好的鲁棒性。我们还用非线性维度判定方法研究了量子维度是否可约维度问题,发现该方法可以用于判断未知高维量子态是否可以被分解为几个低维量子态的直积态。该工作开启了维度判定研究的新途径。3.Beamlike Ⅱ型BBO的高维轨道角动量的纠缠特性通过Ⅰ型相位匹配BBO产生的高维轨道角动量纠缠特性已经被进行了广泛的研究,包括如何能产生更高维的轨道角动量谱分布,实现1 1维的贝尔不等式违背等等。但是,Ⅱ型相位匹配的BBO,特别是Beamlike型的BBO的轨道角动量纠缠特性,据我们所知目前还没有研究报道。在这个工作中,我们研究了Beamlike型BBO的轨道角动量谱分布,实验验证了在Ⅱ型相位匹配条件下,双光子之间的轨道角动量关联不满足守恒律,发现了外在轨道角动量(Extrinsic Orbital Angular Momentum)存在的证据。然而,我们的实验还有一些现象是目前理论上没有精确解释,比如发现通过调节泵浦激光和双光子收集束腰可以有效的控制探测到的轨道角动量关联强度。该工作对帮助人们理解参量下转换过程中对称性破缺效应有重要意义,在接下来的工作中将对实验结果进行更完善的理论解释,同时进一步研究外在轨道角动量的性质,探索其在量子信息任务中的应用。二、时间-频率域可以分为脉冲形状、脉宽和啁啾等。关于频率调控,我们实现了光场频谱振幅和相位的同时精确操控。1.实现了完全可控的相位消相干量子模拟器研究、控制和模拟量子动力学是一个繁重复杂的任务,但是这些对于发展量子技术,保护量子特性,研究消相干过程是很关键的。量子消相干是量子系统中不可避免的一个问题,是提升量子计算机性能的一个重要阻碍。实现用于通用消相干量子模拟器仍然是一个挑战。我们把光场频谱振幅和相位的同时精确操控应用到了开放系统的研究中,实现了完全可控的相位消相干量子模拟器。作为例子,我们使用光子系统模拟了有外加的横场作用下的一个量子比特耦合到Ising链中的动力学模型,以及我们实验实现了一个非正动力学演化(Nonpositive Dynamical Map)的模拟。我们的平台开启了模拟任何物理系统的相位消相干过程和研究量子开放系统基本问题的可能性。2.实验研究了光子频率纠缠转化到偏振自由度首先通过优化泵浦激光和参量下转换的晶体参数,我们产生了强频率关联的光子对。然后通过局域消相干以及频率上转换擦除频率信息,实验上实现了频率纠缠到偏振纠缠的转化。从基础层面看,该方法展示了如何通过局域操作产生和转移纠缠到从未相互作用的粒子上。本质上,这种可能性来源于多路径的干涉以及在频率空间中的调控。应用上,我们所发展的这种技术允许相距遥远的粒子间无需Bell测量也可以产生纠缠,同时开启了通过测量偏振来测量频率纠缠的全新方法。
【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】：

守恒条件,参量下转换,需要满足,能量守恒

守恒条件逡逑考虑在ｚ方向传播的的一束经典泵浦激光，通过一块非线性介质和量子场逡逑耦合起来图２．１。为了简单起见，我们假设在２方向的相互作用长度为Ｌ，横截逡逑面为ａ，因此相互作用的体积为ｗ邋＝逦我们选择横截面中心和交互介质末端逡逑的为坐标的原点。三波混频过程中涉及到二阶非线性极化张量ｘｇｉ，它把介质的逡逑极化强度尸（Ｎｉ）和电场矢量五联系了起来：逡逑ＰｉＮＬ＼ｒ，ｔ）邋＝邋Ｊ邋ｄｔｌｄｔ２ｘｆｌ｛ｈ－ｔ２）Ｅｊ｛ｒ，ｔｌ）Ｅｋ｛ｒＭ），逦（２．１）逡逑这个电磁系统的哈密顿量可以表示为：逡逑Ｈ邋＝邋—＼邋ｄ３ｒ｛Ｄ邋■邋Ｅ邋＋邋—Ｂ邋■邋Ｂ）．逦（２．２）逡逑８７Ｔ邋Ｊｖ逦／ｉ0逡逑如果我们使用定义逡逑Ｄ邋＝邋Ｅ邋＋邋４ｔｔＰ，逦（２．３）逡逑６逡逑

非共线,相位匹配,几何关系

图２．２邋Ｉ型相位匹配非共线情况下的几何关系。逡逑接下来我们来考虑Ｉ型相位匹配中的非共线情况。对于非简并条件叫＃位匹配的情况仅仅能出现在非共线的情况。下转换光场与泵浦光场方向角偏离可以从下面计算得到逡逑ｋｅ（２ｕ）0，邋ｉｐ0）邋＝邋ｋ0｛ｂｊｓ）ｃｏｓ０ｓ邋＋邋ｋ０｛ｕＪｉ）ｃｏｓＢｉ，逡逑ｋ0｛ｕｓ）ｓｉｎｄｓ邋＝邋ｋ０（ｕｉ）ｓｉｎｄｉ．逦（２．３对于近简并情况，可以有ｆ邋ｉ邋＜＜邋１以及丨叫—咕｜逦＜＜吨，式２．２６，我们可以对上面方程组进行求解逡逑９ｓ＾ｉ邋８｛邋＝邋６，邋ａｎｄ邋ｋ＂Ｑ，２邋—邋ｋ0６２邋＝邋０．逦（２．果我们把式２．３１中光轴和栗浦光场之间的角度仰改为Ａ那么式２．３２将变ｋ＇＾Ｃｔ２邋—邋ｋ0６２邋＝邋（ｄｋｅ／ｄｉｐ）Ａｉｐ逦（２．

相位匹配,非共线,简并,轨道角动量

式的有更亮的强度。逡逑在实验中，我一般选用的是基于ＩＩ型相位匹配中的Ｂｅａｍｌｉｋｅ匹配条件来搭逡逑建单光子源，如图２．３（ｄ），该条件下可以使ＩＩ型下转换的双光子光场收缩成一个逡逑圆斑，更接近光场的基模，有着更高的耦合效率，被广泛的应用在多光子纠缠的逡逑实验中。在此处我们仔细讨论了参量下转换光场的基本原理，包括Ｉ型和ＩＩ型相逡逑位匹配等情况。我还会在第五章继续从参量下转换光场的轨道角动量等空间模逡逑式来更加深入的讨论这个问题。逡逑２．２轨道角动量逡逑在１９０９年，Ｐｏｙｎｉｎｇ利用麦克斯韦方程分析得到一个圆偏振光包含一个我逡逑们现在称之为光子ｆｔ自旋角动量［２６］。１９３２年，Ｄａｒｗｉｎ指出在更高阶的原子分逡逑子跃迁过程中如果要保证角动量守恒的话，除了自旋角动量，还需要引入光子的逡逑多个单位的＆轨道角动量［２７］。虽然光子轨道角动量的概念被提出了很多年，但逡逑是直到１９９２年Ａｌｌｅｎ等人才首次理论证明了，光场确实可以含有螺旋的相位波逡逑前６４气每个光子载有成的轨道角动量［２８］。在一般情况下

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