基于原子系综四波混频过程的相干反馈及量子纠缠研究

发布时间：2020-11-14 02:54

　　 量子信息是一门新的交叉学科,它集量子力学,量子光学,信息科学等学科为一体。其中,非经典态(例如压缩态、纠缠态、单光子态、薛定谔猫态),由于它们具有量子关联特性,被认为是重要的量子资源,可以用于实现量子信息传输、量子精密测量、量子计算。一个高量子关联特性的量子态可以有效地提高量子通信的保真度以及量子精密测量的灵敏度,因此提高量子态量子关联特性是至关重要的。我们将反馈控制策略应用于量子系统中,提出两种相干反馈控制方案,实现系统输出光场量子特性增强。另外,复用是光通信的一个重要概念,它将多个信息通道集合在一个信息通道里面,极大地提高信息通信容量。光轨道角动量作为一个重要的物理量,具有无限带宽的特点,可以用来实现信息传输。我们把复用和光轨道角动量相结合,将它们应用于连续变量量子系统,并且实现了光轨道角动量模式复用的连续变量纠缠,极大地提高了量子系统的通信容量。本论文包含以下三个工作:1、我们基于热铷原子蒸汽系综四波混频过程实现线性相干反馈控制。通过调节线性反馈控制器的反馈系数,我们可以提高系统输出光场的量子关联特性。此外,我们还发现线性反馈控制器存在一个最优反馈参数,可以最大化系统输出光场的量子关联特性。2、我们基于热铷原子蒸汽系综四波混频过程实现非线性相干反馈控制。通过调节非线性反馈控制器的增益强度,我们可以提高系统输出光场的量子关联特性。此外,我们还发现非线性反馈控制器存在一个最优增益强度,可以最大化系统输出光场的量子关联特性。3、我们基于热铷原子蒸汽系综四波混频过程实现光轨道角动量模式复用的连续变量纠缠。我们确定性地产生了13对纠缠的拉盖尔高斯模式:LG_(?,pr)和LG_(-?,conj),其中?表示对应光轨道角动量模式的拓扑荷数,pr和conj分别表示探针光场和共轭光场。同时我们也证明了LG_(?,pr)和LG_(?,conj)(l≠0)模式之间不存在纠缠。以上结果从连续变量的角度证明了在四波混频过程中的非线性相互作用满足轨道角动量守恒。此外,我们研究了三种不同光轨道角动量相干叠加模式的纠缠特性。最后,我们还研究了泵浦腰斑大小对系统模式复用数目的影响。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413;O562
【部分图文】：

.1.1 离散变量量子系统近年来，离散变量量子体系和连续变量量子体系都有长足的发展。在离散变量量子体系中多粒子纠缠的研究有着很大的发展。纠缠的粒子数目越多意味着系统的量子信息处理能力，因此，实现多光子纠缠的这个领域在国际上的竞争是十分激烈的。1999 年，奥地利 Zeilin究组首次在实验上实现了三光子纠缠 [7]。尽管这个工作只是将两体粒子纠缠扩展到三体粒缠似乎只是迈出了一小步，但是这个工作意义相当深远，将量子系统推向更广泛的应用。例工作中实现的 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 三粒子纠缠态将量子密码编译从两体扩第三体，进而扩展到更多粒子，为后面的量子通信和量子计算协议建立了一个基础。2001 eilinger 研究组利用参量下转换实现了四光子 GHZ 态的制备和测量 [8]。该工作实现了高纯量子隐形传态，同时也开辟了一种基于线性光学的量子计算以及量子通信的可行方案。在几年的研究中，这种基于线性光学结构实现纠缠光子操控的方案被进一步扩展用来实现更度的量子纠缠系统，进而为实现量子计算、量子模拟、量子纠缠等任务提供了优质的量子源。中国科学技术大学潘建伟研究团队在多光子纠缠领域有非常重要的突破，实现五光子 [光子 [10]、八光子 [11]、十光子 [12] 以及十二光子 [13] 的纠缠操控，并且保持着国际领先。图 1-1 展示的是多光子纠缠的实验装置图。

华东师范大学博士学位论文长距离的量子信息传输。2012 年，Zeilinger 研究组在自由空间中实现了 144 公里的量输 [21]，在当时该工作的传播距离比以往自由空间实验提高了一个数量级，为未来实星和空间量子通信实验迈出了重要的一步。2014 年，科学技术大学潘建伟研究团队在用了诱骗态的方案实现了 200 公里的量子密钥分发 [22]，其中诱骗态方案早在 2003 年005 年 [24,25] 提出，其目的是为了解决在实验过程中，单光子源难以制备，实验上采干光源可能存在不可忽略的多光子成分，容易导致多余光子被窃听从而使信息泄露的案提出可以通过制备多种不同光强相位随机化的弱相干脉冲来作为系统的量子光源，为信号态用于产生密钥，其余的为诱骗态，经过相位随机化后弱相干脉冲可以看做是分布的不同光子数态的混态。窃听者无法确定所窃听的光子属于信号态，从而保证了。2016 年，科学技术大学研究团队在光纤中进一步实现了 404 公里量子密钥分发 [26-2(a)。为了继续扩大量子传输的距离，我国发射了一颗量子通信卫星，将量子信息传输输转向了地空传输，实现了上千公里的跨洲际量子通信 [27]，如图 1-2(b)。

华东师范大学博士学位论文了非经典波包的量子隐形传态，并且开发了一套宽带、零色散隐形传输设备 [4码是量子信息传输的另一重要环节，在离散变量量子体系中，人们可以利用光子垂直偏振实现信息的编码，而在连续变量体系中的信息编码，需要采取不同的编，彭堃墀研究团队首次利用光场的两个正交分量进行编码，实现了两组份连续变码 [42]。随后 2003 年，彭堃墀研究团队又将连续变量量子密集编码推广到三组份次在连续变量系统中讨论多组份纠缠的量子结构。量子纠缠交换是量子信息另一的领域，是实现量子节点间连接的最有前途的方法之一，它可以使两个未发生相纠缠在一起，进而实现量子信息的传递。2004 年，彭堃墀研究团队基于连续变量了非条件的纠缠交换 [44]。
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本文编号：2882985