1.5微米连续变量量子纠缠态光场的产生及其在量子通信中的应用

发布时间：2020-11-03 16:44

　　连续变量非经典光场(如压缩态光场,量子纠缠态光场)是量子信息处理、量子通信的核心资源。1.5μm光通信波段非经典光场在光纤中能够以最低损耗传输,从而降低了量子态在传输过程中的退相干效应;而且它也可以与现有的商用光纤通信系统高度兼容。因而利用1.5μm光通信波段非经典光场实现基于光纤的长距离量子通信研究已经引起了人们广泛的关注。由于通信信道损耗和额外噪声等因素的影响,量子通信的节点距离受到限制。为了突破这一点,可以利用量子中继器连接多个通信节点,从而实现远距离的量子通信。例如,利用量子纠缠交换过程提升量子态的传输距离,利用纠缠纯化抵抗量子态传输过程中的退相干效应,以及利用与原子吸收线相匹配的量子态实现通信节点间的量子存储。本论文利用光学参量过程过程制备了1.5μm光通信波段连续变量的非经典光场,包括压缩态光场、量子纠缠态光场。利用二次谐波过程制备了与原子吸收线相匹配的压缩态光场。同时实现了1.5μm光通信波段连续变量量子纠缠态光场在光纤信道中的纠缠分发,在此基础上开展了其基于光纤信道中的纠缠交换的研究。本论文为开展基于光纤信道的长距离量子通信奠定了基础。论文的主要研究内容如下:(1)利用基于Ⅰ类相位匹配的周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体构成的简并光学参量振荡器(DOPO)实验制备了1.5μm光通信波段的真空压缩态光场,压缩度为6.8 dB。同时实验比较了分别利用周期极化铌酸锂(PPLN)晶体和PPKTP晶体产生真空压缩态时的区别,在理论上建立基于晶体内声波导布里渊散射的模型解释了实验现象;并利用PPLN晶体构成的倍频器实验制备了与铷原子吸收线相匹配的780 nm明亮压缩态光场。(2)利用基于Ⅱ类相位匹配PPKTP晶体构成的非简并光学参量放大器(NOPA)实验制备了1.5μm光通信波段的连续变量量子纠缠态光场。通过控制晶体的温度和晶体的角度实现信号光场、闲置光场以及泵浦光场三光在NOPA腔中同时共振。当NOPA运转于参量反放大状态,NOPA产生一对频率简并偏振正交的具有正交振幅正关联正交位相反关联的量子纠缠态。量子纠缠态光场的正交振幅和与正交相位差分别低于散粒噪声基准8.44 dB和8.30 dB。(3)利用已制备的1.5μm光通信波段的连续变量量子纠缠态光场实验实现了基于光纤信道的连续变量量子纠缠分发。当光纤信道分发距离为20 km时,量子纠缠态光场的正交振幅和与正交相位差分别低于散粒噪声基准1.66 dB和1.35 dB,纠缠特性仍得以保持。并在理论和实验上研究了光纤中的声波导布里渊散射现象引入的额外噪声对连续变量量子纠缠分发的影响。(4)利用两台NOPA制备了两个独立的1.5μm光通信波段量子纠缠态光场,并利用其实验实现了连续变量量子纠缠态自由空间的无条件离物传送,即量子纠缠交换。量子纠缠交换后量子纠缠态光场的正交振幅和与正交相位差分别低于散粒噪声基准4.03 dB和3.76 dB。为下一步开展基于光纤信道的量子纠缠交换奠定了基础。本论文的主要创新点如下:(1)实验制备了1.5μm光通信波段的连续变量真空压缩态光场、与铷原子吸收线相匹配的780 nm明亮压缩态光场。(2)实验制备了1.5μm光通信波段的量子纠缠态光场,纠缠度达8.3dB。(3)实现了距离为20 km的光前信道的连续变量量子纠缠分发,量子纠缠特性仍得以保持。(4)完成了1.5μm光通信波段的量子纠缠态光场自由空间的量子纠缠交换。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O413;TN918.4
【部分图文】：

正交压缩,方向,场态,真空态