大气湍流中光子轨道角动量量子比特的非经典关联和量子相干理论研究

发布时间：2020-10-30 19:41

　　 二十世纪以来,量子信息作为一门新兴的学科受到了广泛的关注。在经典通信领域面临着一系列不易克服的难题时,量子信息技术可以提供相应的应对方法。量子隐形传态、量子密钥分配等技术使信息传递的安全性得到了保障,量子态的叠加性使得可以编码及存储高密度的信息。作为一种重要的量子信息资源,量子纠缠一直是研究的一大热点。然而,研究表明,在执行量子信息任务时,还可以存在着其他的量子信息资源,如量子discord和量子相干等,这些量子信息资源同样有着研究和利用的价值。另一方面,无线光通信给人们的生活和工作都带来了诸多的方便。因此,将量子信息资源加入到无线光通信中有很好的应用前景。人们发现,如果一束光具有涡旋相位结构,其携带的光子会有着整数形式的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)模式,这种整数形式的OAM量子数在无线光通信任务中可以很好地用来编码量子信息。然而,由于量子信息资源的脆弱性,在自由空间中传播时难免会受到周围环境的干扰。在光束的传播过程中,最常见的随机介质就是由于大气的温度和压强等条件引起的大气湍流。大气湍流引起大气折射率随机起伏,使得光束在传播过程中相位产生畸变,从而产生干扰信号,使OAM编码的量子信息受到破坏。因此,研究OAM光子所编码的量子信息资源在大气湍流中的演化规律对提高量子信息在无线通信中的传输效率及对量子信息资源的保护具有重要的意义。本论文研究了大气湍流中OAM光子的非经典关联和量子相干传输特性。主要工作如下:(1)研究了 Kolmogorov湍流大气中轨道角动量部分纠缠的双光子量子比特的量子性(量子纠缠、量子discord以及量子相干)的衰减特性。研究发现,当初始量子态不是最大纠缠时,量子相干和量子discord的衰减特性与量子纠缠的有本质上的区别。另外,分别得到量子相干和量子discord满足的普适衰减规律,并演示了量子相干比非经典关联在衰减的过程中更具鲁棒性。(2)通过信道容量研究了非Kolmogorov大气湍流情况下不同相位畸变对OAM单光子传输的影响。对于非Kolmogorov模型,大气湍流的特性可以由不同的因素决定,包括海拔高度的增加、变化的折射率结构常数以及非Kolmogorov谱的指数参量。研究发现,包括Z倾斜畸变、散焦畸变、像散畸变以及慧差畸变等低阶相位畸变对信号的影响各不相同,其中Z倾斜畸变对信号衰减的影响更力加重要。(3)讨论了需要考虑非Kolmogorov湍流效应的OAM双光子在自由空间大气信道中的非水平地传输特性。研究发现,量子纠缠和discord的普适衰减规律在非Kolmogorov湍流中同样存在,但是其衰减曲线与Kolmogorov湍流中的不同,且普适衰减规律取决于非Kolmogorov谱的指数参量。进一步对比了在非Kolmogorov湍流影响下纠缠和discord衰减特性的不同。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O413;TN929.1
【部分图文】：

即波函数的相位部分具有exp(il )的形式，那么这束光所携带的光播方向光轴的轨道角动量本征值l 。光子的轨道角动量是光子所带有整数形式的量子数l ，理论上 可以有无穷多种取值[13-16]，可以用于信息，在无线光通信中具有不错的应用前景。2 年涡旋光束携带具有轨道角动量的光子(Orbital-angular-momentumM 光子)的观点提出后，近 20 多年内，涡旋光束已经得到了广泛的研于制作光镊、光学扳手，经典通信和量子通信，显微镜下的相位对和量子计量学中的进一步应用，以及天文学中的应用。经有多种涡旋光束的产生方法，例如模式转换法[17]，螺旋相位板法[空间光调制器法[20]等。其中最为普遍最常见的产生涡旋相位结构光束板法，如图 1-1 所示，该方法使用的是一种形状如同螺旋状的阶梯的e Plate)，相位板折射率固定，螺旋状阶梯的每层台阶具有不同的厚度的光束通过该相位板时，光束通过不同厚度的位置会有不同的光程的相位差，最终光束在通过相位板之前和通过相位板之后会由于相位生螺旋形式的相位差，也就产生了带有 OAM 光子的涡旋光束(Helica

-2 自发参量下转换制备 OAM 光子纠缠态(此图取自 Nature Phys. 2007, 3(5): 305-310带 OAM 光子的激光光束在湍流大气中传播时，由于大气折射率的随机波的相位结构将会遭到破坏，产生相位畸变，造成信号 OAM 光子的丢失，他模式的干扰信号[22]。基于已有的大气湍流理论，国内外已经对大气湍光子通信以及纠缠 OAM 光子对的传输情况作了大量的研究工作。基于以式的谱分解，C. Paterson 提出了 OAM 光子在大气湍流影响下的探测几率的，并且以 Kolmogorov 湍流模型为例从理论上分析了大气湍流对 OAM 光[22]。随后，C. Gopaul 等人推导出了在自发参量下转换情况下纠缠 OAMmogorov 大气湍流中的探测几率[23]，包括给定探测到的双光子模式的联合一个光子模式的条件概率等。J. R. Gonzalez Alonso 等人从理论上研rov 大气湍流对 OAM 光子状态的影响[24]，并且从理论上提出了一种近似正的方法来保护 OAM 量子态在大气中传输时减少湍流对其产生的影响，OAM 光子的保护十分有限，有待与其他技术(如自适应光学等)相结合来子的通信质量。A. H. Ibrahim 等人从实验和数值模拟上同时研究了大气湍光子和 OAM 双光子传输过程中的影响[25]。值得注意的是，他们考虑的 OA

图 2-1 LG 光束光强分布图 2-2 LG 光束相位分布带 OAM 光子的涡旋光束在大气湍流中传播时，由于湍流大气的折射束的波前将会受到大气湍流的破坏，其波函数的相位将会产生畸变，束所携带的光子 OAM 数值不同的干扰信号，这些干扰信号对应着子信号的丢失。2005 年，C. Paterson 基于谱分解的方法从理论上提出光源所携带的 OAM 光子的 OAM 量子数的前提下得出光束经过传播干扰信号的概率(或者说是各种 OAM 模式能量的占比)的算法[22]。
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本文编号：2862922