利用原子系综实现轨道角动量连续变量纠缠态

发布时间：2020-07-22 05:17

【摘要】：量子通信是量子论和信息论相结合的新型研究领域,事关国家信息和国防安全,是国家优先发展的信息科技和产业高地,在金融、政务、国防、电子信息等领域有着巨大的应用前景。量子纠缠的制备和纠缠信道的建立是量子通信的核心技术。在纠缠信道中,节点作为基本的构架进行量子信息的整合、存储、分发,而碱金属原子是量子通信节点的一个研究热点,要实现光场与节点的直接相互作用,就需要制备波长与原子节点的跃迁频率相匹配的纠缠态光场,基于光与碱金属原子的非线性四波混频效应产生孪生光束并制备纠缠态光场就是一个很好的方案。相比于其它碱金属原子,铯原子的基态超精细能级间隔大,与光场的相互作用不易受周围能级的影响;并且铯原子D1线的895 nm波长对应于InAs量子点激子发射波段,是原子和固态系统实现量子态交换的纽带。因此,碱金属铯原子作为有效的节点和对应的非经典态光场的相互作用是实现量子信息过程的理想相干界面。利用碱金属原子中的非简并四波混频过程产生的双模压缩态光场,由于其光频率对应于原子的跃迁能级,可直接用于基于原子的量子通信和量子计算。同时无腔限制的四波混频过程产生的非经典态光场具有空间多模特性,增加了光场包含的信息量,使得其在量子图像纠缠、量子成像和宽带高维量子存储等方面具有广泛应用。而轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)光束作为一种特殊的空间多模光束,由于具有特殊光强分布和高阶模式,被广泛地用于微观粒子的光学操控,并且OAM光束的高维度特性可用于高容量通信和高速信息处理领域。该论文在铯原子的四波混频过程中产生高关联度孪生光束并研究轨道角动量连续变量纠缠态的纠缠特性。包括以下五个部分:第一章首先介绍了几种基本的量子态光场:相干态、压缩态和纠缠态。对这几种量子态的描述局限在单个空间模式中。而具有空间多模特性的量子态光场是目前研究的一个热点,尤其是携带轨道角动量的非经典态光场备受研究工作者关注,因此我们也介绍了轨道角动量光束的基本知识。第二章介绍了双Λ型能级结构四波混频过程的基本理论模型,以及利用四波混频过程产生的双模压缩态光场,讨论了增益及系统内部损耗对强度差压缩态光场压缩度的影响。最后,分析了四波混频过程中的相位匹配条件。第三章制备了对应于Cs原子D1线的量子关联孪生光束,该系统中使用光学锁相环实现探针光和泵浦光的相对频率和相对相位锁定,在分析频率为0.23 MHz处测得了最大6.0 dB的强度差压缩,随后对系统的实验参数做了详细分析,得出系统四波混频增益和强度差压缩度与各个实验参数的依赖关系,给出获得最高压缩度的最佳实验参数值。第四章半导体激光器作为光源,使用电光调制器产生探针光,通过优化实验系统的稳定性和探测系统的电子学噪声,选取最优的实验参数,获得了一个紧凑型的、频率低至0.7 kHz、最大压缩度为6.5 dB的强度差压缩量子光源。第五章在铯原子四波混频过程中制备携带轨道角动量的连续变量纠缠态光场,获得的纠缠度接近4 dB。两组份轨道角动量连续变量纠缠态的获得为多组份轨道角动量连续变量纠缠态的研究奠定了实验基础。其中,创新性工作如下:Ⅰ.分别利用光学锁相环和电光调制器获得了频率差9.2 GHz(对应于铯原子基态6S_(1/2)超精细能级间隔)且相对位相稳定的铯原子四波混频的泵浦光及注入光,将波长895 nm的强度差压缩态光场的压缩度提高至6.5 dB。Ⅱ.设计并研制了一个紧凑型半导体激光器泵浦的频率低至0.7 kHz、最大压缩度为6.5 dB强度差压缩光源,这是目前报道的在类似系统中获得的最低频的强度差压缩。Ⅲ.利用四波混频过程无腔限制的优势,实验制备了4 dB的两组份轨道角动量连续变量纠缠态。
【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;O562
【图文】：

相干态,振幅噪声,相干态光场,相平面

方差算符表达式为： 2 2 2 X =X X。（1.在量子力学中，两个可测量的算符对易，才能同时被观测。而描述光场的两正交算符不对易，因此正交分量必须服从海森堡不确定性关系。当不等式取最小时，光场的所有态具有最小的量子噪声，即， 2 2 1 = =2 X Y ，（1.1该态被称为最小不确定态，即相干态，它是湮灭算符的本征态 a ，相态可分解为光子数态的叠加：220=!nne nn ，（1.1上式表明相干态的光子数分布为泊松分布，如图 1.1（b）的相空间上相干态的位的不确定性表现为一个“fuzzball”，相干态是最接近经典电磁场的量子态，其光数方差等于平均光子数 2 2 n ，称之为散粒噪声极限 SNL。

相图,压缩态,相位压缩,振幅压缩

第一章量子光学基础1.2 压缩态光场在图 1.1 中，不确定区域是圆形的，即对应于振幅和相位在 X 和 Y 方向上的不确定程度是相同的，还有一种情况是在各个分量上具有不相等的不确定度分布，其中一个正交分量的方差增大的同时另一个正交分量的方差减小，如： 2 1 2 X ，（1.12） 2 1 2 Y ，（1.13）反之亦然，这种态被称为压缩态，压缩态一直是量子光学领域非常感兴趣的光源，它们在相图上的正交分量的不确定区域为椭圆形状，由于椭圆形状的分布导致光场的相位起伏或振幅起伏低于 QNL。图 1.2 分别展示了相位方差的降低和振幅方差的降低，其中椭圆占据的面积与相干态相同。

相敏放大器,输出压缩,分量,噪声

.3 相敏放大器的输入态和输出态：（a）输入真空态，真空起伏处于 QNL；（b）输出压缩态 Y分量噪声减小，同时 X分量噪声被放大。压缩态光场本质上减少了相位或振幅（或正交分量）的量子噪声，该特性可以的应用于光测量实验中。在经典态光场的测量中，测量的准确度受到光的振幅位的散粒噪声的限制，通常使用高功率的光源来提高信噪比，从而提高测量的度。但是高功率可能会损坏被测量物体，使用压缩光源来替代高功率经典光源光源量子噪声水平的降低能提高测量的信噪比，并且在测量精度提高的同时不样品造成任何损害。.2 双模压缩态光场经典世界里，所有物体的态都可以独立描述。在量子力学中，则可以引入一对组物体的关联特性的概念，这组物体中的单个成员的量子态不可以独立描述，是说这一对或一组粒子纠缠在一起。可以是位置的纠缠，产生时间的纠缠，光电场偏振的纠缠等。在我们的实验系统中，将产生一对纠缠的孪生光束，并在

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