【摘要】:量子信息是量子力學和信息論結(jié)合的一門新興交叉學科。量子信息認為信息是物理的,而量子力學是現(xiàn)代物理學的基本理論之一。量子力學中有很多很深刻的性質(zhì),比如,量子力學的疊加原理,不確定關(guān)系,不可克隆定理以及Bell不等式等等。這些性質(zhì)對用經(jīng)典物理描述的信息論產(chǎn)生了深刻的影響。隨著量子信息的蓬勃發(fā)展,實驗上各種系統(tǒng)量子態(tài)操作能力的不斷提升,又對研究量子力學的基本問題產(chǎn)生了影響。這也是最近興起第二次量子革命的原因。復(fù)雜量子態(tài)的制備與操作是量子信息研究中至關(guān)重要的一個命題。近幾年各個系統(tǒng)也有了較大的發(fā)展,比如在超導(dǎo)量子線路實現(xiàn)了 12量子比特的糾纏和18個量子比特GHZ態(tài)制備,光子系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)了 12光子糾纏,以及集成光學的兩體糾纏維度達到了 15維等等。本人博士期間的工作也主要是關(guān)于復(fù)雜量子態(tài)的制備和操作,具體是利用了光場調(diào)控技術(shù)對量子信息中的一些問題進行了研究。本文將從光場調(diào)控中的空間-動量域調(diào)控和時間-頻率域調(diào)控兩個方向介紹本人的工作。一、空間-動量域可以分為偏振、空間分布等。關(guān)于空間域調(diào)控,我們在實驗上實現(xiàn)了高保真度的高維軌道角動量量子態(tài)的產(chǎn)生和測量。1.單系統(tǒng)量子導(dǎo)引量子導(dǎo)引(Quantum Steering)描述的是通過局域的測量糾纏光子對中的一個光子去導(dǎo)引另外一個光子量子態(tài)的能力。我們實驗上實現(xiàn)了單系統(tǒng)量子導(dǎo)引,并且研究了其在量子通信中的應(yīng)用。實驗中所需要的高維量子態(tài)是通過把信息編碼在光子偏振和軌道角動量上實現(xiàn)的,量子維度最高做到了 12維。2.量子系統(tǒng)的非線性維度判定量子系統(tǒng)的維度是很重要的資源,知道維度在量子任務(wù)中有重要的意義。我們首次在制備-測量系統(tǒng)中通過非線性維度判定(Dimension Witness)方法實驗研究了經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)的維度,其中一個關(guān)鍵點在于制備端和測量端沒有共享的隨機性。在知道維度的前提下,利用非線性維度判定可以區(qū)別經(jīng)典和量子系統(tǒng)。實驗結(jié)果展示了該方法在強噪聲和低探測效率下也是有效的,具有很好的魯棒性。我們還用非線性維度判定方法研究了量子維度是否可約維度問題,發(fā)現(xiàn)該方法可以用于判斷未知高維量子態(tài)是否可以被分解為幾個低維量子態(tài)的直積態(tài)。該工作開啟了維度判定研究的新途徑。3.Beamlike Ⅱ型BBO的高維軌道角動量的糾纏特性通過Ⅰ型相位匹配BBO產(chǎn)生的高維軌道角動量糾纏特性已經(jīng)被進行了廣泛的研究,包括如何能產(chǎn)生更高維的軌道角動量譜分布,實現(xiàn)1 1維的貝爾不等式違背等等。但是,Ⅱ型相位匹配的BBO,特別是Beamlike型的BBO的軌道角動量糾纏特性,據(jù)我們所知目前還沒有研究報道。在這個工作中,我們研究了Beamlike型BBO的軌道角動量譜分布,實驗驗證了在Ⅱ型相位匹配條件下,雙光子之間的軌道角動量關(guān)聯(lián)不滿足守恒律,發(fā)現(xiàn)了外在軌道角動量(Extrinsic Orbital Angular Momentum)存在的證據(jù)。然而,我們的實驗還有一些現(xiàn)象是目前理論上沒有精確解釋,比如發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)泵浦激光和雙光子收集束腰可以有效的控制探測到的軌道角動量關(guān)聯(lián)強度。該工作對幫助人們理解參量下轉(zhuǎn)換過程中對稱性破缺效應(yīng)有重要意義,在接下來的工作中將對實驗結(jié)果進行更完善的理論解釋,同時進一步研究外在軌道角動量的性質(zhì),探索其在量子信息任務(wù)中的應(yīng)用。二、時間-頻率域可以分為脈沖形狀、脈寬和啁啾等。關(guān)于頻率調(diào)控,我們實現(xiàn)了光場頻譜振幅和相位的同時精確操控。1.實現(xiàn)了完全可控的相位消相干量子模擬器研究、控制和模擬量子動力學是一個繁重復(fù)雜的任務(wù),但是這些對于發(fā)展量子技術(shù),保護量子特性,研究消相干過程是很關(guān)鍵的。量子消相干是量子系統(tǒng)中不可避免的一個問題,是提升量子計算機性能的一個重要阻礙。實現(xiàn)用于通用消相干量子模擬器仍然是一個挑戰(zhàn)。我們把光場頻譜振幅和相位的同時精確操控應(yīng)用到了開放系統(tǒng)的研究中,實現(xiàn)了完全可控的相位消相干量子模擬器。作為例子,我們使用光子系統(tǒng)模擬了有外加的橫場作用下的一個量子比特耦合到Ising鏈中的動力學模型,以及我們實驗實現(xiàn)了一個非正動力學演化(Nonpositive Dynamical Map)的模擬。我們的平臺開啟了模擬任何物理系統(tǒng)的相位消相干過程和研究量子開放系統(tǒng)基本問題的可能性。2.實驗研究了光子頻率糾纏轉(zhuǎn)化到偏振自由度首先通過優(yōu)化泵浦激光和參量下轉(zhuǎn)換的晶體參數(shù),我們產(chǎn)生了強頻率關(guān)聯(lián)的光子對。然后通過局域消相干以及頻率上轉(zhuǎn)換擦除頻率信息,實驗上實現(xiàn)了頻率糾纏到偏振糾纏的轉(zhuǎn)化。從基礎(chǔ)層面看,該方法展示了如何通過局域操作產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移糾纏到從未相互作用的粒子上。本質(zhì)上,這種可能性來源于多路徑的干涉以及在頻率空間中的調(diào)控。應(yīng)用上,我們所發(fā)展的這種技術(shù)允許相距遙遠的粒子間無需Bell測量也可以產(chǎn)生糾纏,同時開啟了通過測量偏振來測量頻率糾纏的全新方法。
【學位授予單位】:中國科學技術(shù)大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2019
【分類號】:O413
【圖文】:
守恒條件逡逑考慮在z方向傳播的的一束經(jīng)典泵浦激光,通過一塊非線性介質(zhì)和量子場逡逑耦合起來圖2.1。為了簡單起見,我們假設(shè)在2方向的相互作用長度為L,橫截逡逑面為a,因此相互作用的體積為w邋=邐我們選擇橫截面中心和交互介質(zhì)末端逡逑的為坐標的原點。三波混頻過程中涉及到二階非線性極化張量xgi,它把介質(zhì)的逡逑極化強度尸(Ni)和電場矢量五聯(lián)系了起來:逡逑PiNL\r,t)邋=邋J邋dtldt2xfl{h-t2)Ej{r,tl)Ek{rM),邐(2.1)逡逑這個電磁系統(tǒng)的哈密頓量可以表示為:逡逑H邋=邋—\邋d3r{D邋■邋E邋+邋—B邋■邋B).邐(2.2)逡逑87T邋Jv邐/i0逡逑如果我們使用定義逡逑D邋=邋E邋+邋4ttP,邐(2.3)逡逑6逡逑

圖2.2邋I型相位匹配非共線情況下的幾何關(guān)系。逡逑接下來我們來考慮I型相位匹配中的非共線情況。對于非簡并條件叫#位匹配的情況僅僅能出現(xiàn)在非共線的情況。下轉(zhuǎn)換光場與泵浦光場方向角偏離可以從下面計算得到逡逑ke(2u)0,邋ip0)邋=邋k0{bjs)cos0s邋+邋k0{uJi)cosBi,逡逑k0{us)sinds邋=邋k0(ui)sindi.邐(2.3對于近簡并情況,可以有f邋i邋<<邋1以及丨叫—咕|邐<<噸,式2.26,我們可以對上面方程組進行求解逡逑9s^i邋8{邋=邋6,邋and邋k"Q,2邋—邋k062邋=邋0.邐(2.果我們把式2.31中光軸和栗浦光場之間的角度仰改為A那么式2.32將變k'^Ct2邋—邋k062邋=邋(dke/dip)Aip邐(2.

式的有更亮的強度。逡逑在實驗中,我一般選用的是基于II型相位匹配中的Beamlike匹配條件來搭逡逑建單光子源,如圖2.3(d),該條件下可以使II型下轉(zhuǎn)換的雙光子光場收縮成一個逡逑圓斑,更接近光場的基模,有著更高的耦合效率,被廣泛的應(yīng)用在多光子糾纏的逡逑實驗中。在此處我們仔細討論了參量下轉(zhuǎn)換光場的基本原理,包括I型和II型相逡逑位匹配等情況。我還會在第五章繼續(xù)從參量下轉(zhuǎn)換光場的軌道角動量等空間模逡逑式來更加深入的討論這個問題。逡逑2.2軌道角動量逡逑在1909年,Poyning利用麥克斯韋方程分析得到一個圓偏振光包含一個我逡逑們現(xiàn)在稱之為光子ft自旋角動量[26]。1932年,Darwin指出在更高階的原子分逡逑子躍遷過程中如果要保證角動量守恒的話,除了自旋角動量,還需要引入光子的逡逑多個單位的&軌道角動量[27]。雖然光子軌道角動量的概念被提出了很多年,但逡逑是直到1992年Allen等人才首次理論證明了,光場確實可以含有螺旋的相位波逡逑前64氣每個光子載有成的軌道角動量[28]。在一般情況下
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