【摘要】：糾纏是量子物理學(xué)的一個(gè)違反直覺的特征,是量子技術(shù)的核心。高維量子態(tài)具有獨(dú)特的量子特性,并在某些量子信息和量子計(jì)算任務(wù)中較傳統(tǒng)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì),例如量子通信傳輸信息容量更大,量子計(jì)算和量子模擬的并行能力更強(qiáng)等。光子作為信息的載體,具有自由度多、易集成,相干性好等優(yōu)勢(shì),此外,光子在形成多體和多維的糾纏態(tài)上具有先天的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)光路設(shè)備尺寸龐大,往往系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而集成技術(shù)不僅能夠縮小設(shè)備尺寸,做到小型化集成化多樣化,還能夠提供穩(wěn)定的相位和理想的可擴(kuò)展性。最近集成光子芯片已成為量子糾纏態(tài)的產(chǎn)生,操縱和檢測(cè)的領(lǐng)先平臺(tái)。在這些研究中,糾纏態(tài)被編碼在各種模式上,諸如路徑,頻率等。特別是路徑模式,由于概念簡(jiǎn)單清晰,已被運(yùn)用于量子信息研究。我們報(bào)告了一種硅光子芯片,它使用新型干涉共振增強(qiáng)的光子對(duì)光源(DMZR),光譜波分復(fù)用器和高維可重構(gòu)線路來(lái)生成,操縱和分析路徑糾纏的三維糾纏態(tài),即qutrits。通過(guò)優(yōu)化片上電和熱串?dāng)_,我們獲得高于96.5%可見度的量子干涉,最大糾纏態(tài)保真度達(dá)到了95.5%。我們進(jìn)一步探索糾纏的qutrits的基本屬性來(lái)測(cè)試量子非局域性和互文性性。并實(shí)現(xiàn)了圖論的量子模擬和高精度光學(xué)相位測(cè)量。我們的工作為多光子高維量子技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。本論文主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)研究片上干涉共振增強(qiáng)諧振環(huán)的工作原理,我們通過(guò)傳輸矩陣與鏈?zhǔn)骄仃嚨姆椒ㄓ?jì)算了新型光源的透射譜,然后討論并分析了它在什么情況下能夠達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài),并將它與傳統(tǒng)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較,說(shuō)明了它在作為片上集成糾纏光子對(duì)源的優(yōu)越性。然后我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一推斷,給出了實(shí)驗(yàn)上優(yōu)化調(diào)節(jié)該種光源的方案,并計(jì)算有關(guān)參數(shù),驗(yàn)證其能夠有效的工作。(2)我們?cè)诶碚撋涎芯苛嗽趒ubit情況下通過(guò)分離相干泵浦產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)形成糾纏源的概念方案,然后給出了將其推廣到高維情況下的實(shí)驗(yàn)方案和我們的芯片設(shè)計(jì)圖。我們?cè)诶碚撋涎芯苛藂ubit情況下,路徑糾纏態(tài)和源全同性的關(guān)系,據(jù)此給出了在量子實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化該路徑糾纏源的方法,指出了作為判斷的參數(shù)指標(biāo);并在之后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示了整個(gè)流程,由此完成了最大糾纏態(tài)的制備工作。我們通過(guò)量子層析技術(shù),對(duì)產(chǎn)生的量子態(tài)進(jìn)行刻畫,并得到較高的保真度。我們?cè)谶@節(jié)中還展示了我們對(duì)于實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的把握,包括對(duì)片上電與熱串?dāng)_的表征和控制技術(shù)等,為規(guī)模片上量子系統(tǒng)的表征提供解決方案。(3)在證明能夠產(chǎn)生并精密操縱這樣的高維糾纏源后,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)完成了對(duì)高維bell不等式的測(cè)量,并證偽了局域隱變量模型;同時(shí)基于此高維糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)了無(wú)相容性漏洞的量子互文性驗(yàn)證。我們還將這個(gè)源用于驗(yàn)證圖論的量子模擬實(shí)驗(yàn)的可行性,以及實(shí)驗(yàn)了用于量子高精度相位測(cè)量時(shí),高于傳統(tǒng)三路徑干涉儀的相位測(cè)量的敏感度。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O413;TN491
【圖文】：

＼ｉｆ／）邋＝邋ｃｏｓｄ邋｜０）邋＋邋ｅ，，ｆｓｉｎ６＼＼）邐（１－１）逡逑我們通常在所謂的Ｂｌｏｃｈ球上表示這樣一個(gè)量子態(tài)，如下圖１－１紅色箭頭指向逡逑ｉ0）邐ｃｐ邋＝０逡逑＃＞逡逑ｉ＋／＞逡逑圖１－１：邋Ｂｌｏｃｈ球上的量子態(tài)［２］逡逑球面上的點(diǎn)代表這個(gè)態(tài)，當(dāng)處在綠色方框所標(biāo)出的截面上時(shí)，＾邋＝邋０，態(tài)的兩項(xiàng)逡逑

這個(gè)方程被稱為截面向量Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程，本征值為爐－Ｐ。對(duì)全空間積分后逡逑求解方程本征值就可得到相應(yīng)模式的傳播常數(shù)／？與ｎｅｆｆ。在尋找解時(shí)我們把電場(chǎng)逡逑振動(dòng)方向沿著ｘ方向的解稱為ＴＥ模，把沿著ｙ方向的解稱為ＴＭ模。另外，逡逑按照０邋（或？ｆｆ）由小到大排列，最小的稱為基模，其他相應(yīng)為高階模。逡逑值得一提的是，如果考慮材料存在損耗，我們可以將方程中的傳播常數(shù)０逡逑與材料折射率ｋ替換為復(fù)傳播常數(shù)Ｂ與復(fù)材料波矢Ｋ，其中，復(fù)傳播常數(shù)為逡逑Ｂ邋＝邋Ｊ３邋＋邋ｉａ邐（１－６）逡逑ａ是材料的損耗系數(shù)，指波傳播單位距離后振幅變?yōu)樵瓉?lái)的ａ倍。由于在一般逡逑情況下求解方程１－５比較困難，人們一般采用電腦幫助求解數(shù)值解。這里我們采逡逑用ＦＤＴＤ軟件ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｌｖｅｒ求解。我們采用波導(dǎo)的ｘ方向與ｙ方向?qū)挾儒义戏謩e５００ｎｍ與２２０ｎｍ，計(jì)算結(jié)果如下圖１－３，可以認(rèn)為在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，？ｅｆｆ逡逑與波長(zhǎng)呈一次函數(shù)關(guān)系如圖。值得注意的是，我們剛剛討論的過(guò)程都建立在直逡逑角坐標(biāo)系下，如果討論的光波不沿直線傳播我們可以采用［３０］中的方法得到等逡逑，ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｖｅｒ一

這個(gè)方程被稱為截面向量Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程，本征值為爐－Ｐ。對(duì)全空間積分后逡逑求解方程本征值就可得到相應(yīng)模式的傳播常數(shù)／？與ｎｅｆｆ。在尋找解時(shí)我們把電場(chǎng)逡逑振動(dòng)方向沿著ｘ方向的解稱為ＴＥ模，把沿著ｙ方向的解稱為ＴＭ模。另外，逡逑按照０邋（或？ｆｆ）由小到大排列，最小的稱為基模，其他相應(yīng)為高階模。逡逑值得一提的是，如果考慮材料存在損耗，我們可以將方程中的傳播常數(shù)０逡逑與材料折射率ｋ替換為復(fù)傳播常數(shù)Ｂ與復(fù)材料波矢Ｋ，其中，復(fù)傳播常數(shù)為逡逑Ｂ邋＝邋Ｊ３邋＋邋ｉａ邐（１－６）逡逑ａ是材料的損耗系數(shù)，指波傳播單位距離后振幅變?yōu)樵瓉?lái)的ａ倍。由于在一般逡逑情況下求解方程１－５比較困難，人們一般采用電腦幫助求解數(shù)值解。這里我們采逡逑用ＦＤＴＤ軟件ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｌｖｅｒ求解。我們采用波導(dǎo)的ｘ方向與ｙ方向?qū)挾儒义戏謩e５００ｎｍ與２２０ｎｍ，計(jì)算結(jié)果如下圖１－３，可以認(rèn)為在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，？ｅｆｆ逡逑與波長(zhǎng)呈一次函數(shù)關(guān)系如圖。值得注意的是，我們剛剛討論的過(guò)程都建立在直逡逑角坐標(biāo)系下，如果討論的光波不沿直線傳播我們可以采用［３０］中的方法得到等逡逑，ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｖｅｒ一

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本文編號(hào)：2770670