【摘要】：量子通信是量子論和信息論相結(jié)合的新型研究領(lǐng)域,事關(guān)國(guó)家信息和國(guó)防安全,是國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地,在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。量子糾纏的制備和糾纏信道的建立是量子通信的核心技術(shù)。在糾纏信道中,節(jié)點(diǎn)作為基本的構(gòu)架進(jìn)行量子信息的整合、存儲(chǔ)、分發(fā),而堿金屬原子是量子通信節(jié)點(diǎn)的一個(gè)研究熱點(diǎn),要實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)與節(jié)點(diǎn)的直接相互作用,就需要制備波長(zhǎng)與原子節(jié)點(diǎn)的躍遷頻率相匹配的糾纏態(tài)光場(chǎng),基于光與堿金屬原子的非線性四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生孿生光束并制備糾纏態(tài)光場(chǎng)就是一個(gè)很好的方案。相比于其它堿金屬原子,銫原子的基態(tài)超精細(xì)能級(jí)間隔大,與光場(chǎng)的相互作用不易受周圍能級(jí)的影響;并且銫原子D1線的895 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于InAs量子點(diǎn)激子發(fā)射波段,是原子和固態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)量子態(tài)交換的紐帶。因此,堿金屬銫原子作為有效的節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的非經(jīng)典態(tài)光場(chǎng)的相互作用是實(shí)現(xiàn)量子信息過(guò)程的理想相干界面。利用堿金屬原子中的非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程產(chǎn)生的雙模壓縮態(tài)光場(chǎng),由于其光頻率對(duì)應(yīng)于原子的躍遷能級(jí),可直接用于基于原子的量子通信和量子計(jì)算。同時(shí)無(wú)腔限制的四波混頻過(guò)程產(chǎn)生的非經(jīng)典態(tài)光場(chǎng)具有空間多模特性,增加了光場(chǎng)包含的信息量,使得其在量子圖像糾纏、量子成像和寬帶高維量子存儲(chǔ)等方面具有廣泛應(yīng)用。而軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM)光束作為一種特殊的空間多模光束,由于具有特殊光強(qiáng)分布和高階模式,被廣泛地用于微觀粒子的光學(xué)操控,并且OAM光束的高維度特性可用于高容量通信和高速信息處理領(lǐng)域。該論文在銫原子的四波混頻過(guò)程中產(chǎn)生高關(guān)聯(lián)度孿生光束并研究軌道角動(dòng)量連續(xù)變量糾纏態(tài)的糾纏特性。包括以下五個(gè)部分:第一章首先介紹了幾種基本的量子態(tài)光場(chǎng):相干態(tài)、壓縮態(tài)和糾纏態(tài)。對(duì)這幾種量子態(tài)的描述局限在單個(gè)空間模式中。而具有空間多模特性的量子態(tài)光場(chǎng)是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn),尤其是攜帶軌道角動(dòng)量的非經(jīng)典態(tài)光場(chǎng)備受研究工作者關(guān)注,因此我們也介紹了軌道角動(dòng)量光束的基本知識(shí)。第二章介紹了雙Λ型能級(jí)結(jié)構(gòu)四波混頻過(guò)程的基本理論模型,以及利用四波混頻過(guò)程產(chǎn)生的雙模壓縮態(tài)光場(chǎng),討論了增益及系統(tǒng)內(nèi)部損耗對(duì)強(qiáng)度差壓縮態(tài)光場(chǎng)壓縮度的影響。最后,分析了四波混頻過(guò)程中的相位匹配條件。第三章制備了對(duì)應(yīng)于Cs原子D1線的量子關(guān)聯(lián)孿生光束,該系統(tǒng)中使用光學(xué)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)探針光和泵浦光的相對(duì)頻率和相對(duì)相位鎖定,在分析頻率為0.23 MHz處測(cè)得了最大6.0 dB的強(qiáng)度差壓縮,隨后對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)做了詳細(xì)分析,得出系統(tǒng)四波混頻增益和強(qiáng)度差壓縮度與各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的依賴關(guān)系,給出獲得最高壓縮度的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)值。第四章半導(dǎo)體激光器作為光源,使用電光調(diào)制器產(chǎn)生探針光,通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和探測(cè)系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲,選取最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù),獲得了一個(gè)緊湊型的、頻率低至0.7 kHz、最大壓縮度為6.5 dB的強(qiáng)度差壓縮量子光源。第五章在銫原子四波混頻過(guò)程中制備攜帶軌道角動(dòng)量的連續(xù)變量糾纏態(tài)光場(chǎng),獲得的糾纏度接近4 dB。兩組份軌道角動(dòng)量連續(xù)變量糾纏態(tài)的獲得為多組份軌道角動(dòng)量連續(xù)變量糾纏態(tài)的研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。其中,創(chuàng)新性工作如下:Ⅰ.分別利用光學(xué)鎖相環(huán)和電光調(diào)制器獲得了頻率差9.2 GHz(對(duì)應(yīng)于銫原子基態(tài)6S_(1/2)超精細(xì)能級(jí)間隔)且相對(duì)位相穩(wěn)定的銫原子四波混頻的泵浦光及注入光,將波長(zhǎng)895 nm的強(qiáng)度差壓縮態(tài)光場(chǎng)的壓縮度提高至6.5 dB。Ⅱ.設(shè)計(jì)并研制了一個(gè)緊湊型半導(dǎo)體激光器泵浦的頻率低至0.7 kHz、最大壓縮度為6.5 dB強(qiáng)度差壓縮光源,這是目前報(bào)道的在類似系統(tǒng)中獲得的最低頻的強(qiáng)度差壓縮。Ⅲ.利用四波混頻過(guò)程無(wú)腔限制的優(yōu)勢(shì),實(shí)驗(yàn)制備了4 dB的兩組份軌道角動(dòng)量連續(xù)變量糾纏態(tài)。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O431.2;O562
【圖文】：

方差算符表達(dá)式為： 2 2 2 X =X X。 （1.在量子力學(xué)中，兩個(gè)可測(cè)量的算符對(duì)易，才能同時(shí)被觀測(cè)。而描述光場(chǎng)的兩正交算符不對(duì)易，因此正交分量必須服從海森堡不確定性關(guān)系。當(dāng)不等式取最小時(shí)，光場(chǎng)的所有態(tài)具有最小的量子噪聲，即， 2 2 1 = =2 X Y ， （1.1該態(tài)被稱為最小不確定態(tài)，即相干態(tài) ，它是湮滅算符的本征態(tài) a ，相態(tài)可分解為光子數(shù)態(tài)的疊加：220=!nne nn ， （1.1上式表明相干態(tài)的光子數(shù)分布為泊松分布，如圖 1.1（b）的相空間上相干態(tài)的位的不確定性表現(xiàn)為一個(gè)“fuzzball”，相干態(tài)是最接近經(jīng)典電磁場(chǎng)的量子態(tài)，其光數(shù)方差等于平均光子數(shù) 2 2 n ，稱之為散粒噪聲極限 SNL。

第一章 量子光學(xué)基礎(chǔ)1.2 壓縮態(tài)光場(chǎng)在圖 1.1 中，不確定區(qū)域是圓形的，即對(duì)應(yīng)于振幅和相位在 X 和 Y 方向上的不確定程度是相同的，還有一種情況是在各個(gè)分量上具有不相等的不確定度分布，其中一個(gè)正交分量的方差增大的同時(shí)另一個(gè)正交分量的方差減小，如： 2 1 2 X ， （1.12） 2 1 2 Y ， （1.13）反之亦然，這種態(tài)被稱為壓縮態(tài)，壓縮態(tài)一直是量子光學(xué)領(lǐng)域非常感興趣的光源，它們?cè)谙鄨D上的正交分量的不確定區(qū)域?yàn)闄E圓形狀，由于橢圓形狀的分布導(dǎo)致光場(chǎng)的相位起伏或振幅起伏低于 QNL。圖 1.2 分別展示了相位方差的降低和振幅方差的降低，其中橢圓占據(jù)的面積與相干態(tài)相同。

.3 相敏放大器的輸入態(tài)和輸出態(tài)：（a）輸入真空態(tài)，真空起伏處于 QNL；（b）輸出壓縮態(tài) Y分量噪聲減小，同時(shí) X分量噪聲被放大。壓縮態(tài)光場(chǎng)本質(zhì)上減少了相位或振幅（或正交分量）的量子噪聲，該特性可以的應(yīng)用于光測(cè)量實(shí)驗(yàn)中。在經(jīng)典態(tài)光場(chǎng)的測(cè)量中，測(cè)量的準(zhǔn)確度受到光的振幅位的散粒噪聲的限制，通常使用高功率的光源來(lái)提高信噪比，從而提高測(cè)量的度。但是高功率可能會(huì)損壞被測(cè)量物體，使用壓縮光源來(lái)替代高功率經(jīng)典光源光源量子噪聲水平的降低能提高測(cè)量的信噪比，并且在測(cè)量精度提高的同時(shí)不樣品造成任何損害。.2 雙模壓縮態(tài)光場(chǎng)經(jīng)典世界里，所有物體的態(tài)都可以獨(dú)立描述。在量子力學(xué)中，則可以引入一對(duì)組物體的關(guān)聯(lián)特性的概念，這組物體中的單個(gè)成員的量子態(tài)不可以獨(dú)立描述，是說(shuō)這一對(duì)或一組粒子糾纏在一起�？梢允俏恢玫募m纏，產(chǎn)生時(shí)間的糾纏，光電場(chǎng)偏振的糾纏等。在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將產(chǎn)生一對(duì)糾纏的孿生光束，并在

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本文編號(hào)：2765378