發(fā)布時(shí)間：2020-10-26 02:03

　　 量子信息科學(xué)是量子力學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科,近年來(lái)伴隨著量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建倍受科學(xué)家關(guān)注。量子網(wǎng)絡(luò)由許多節(jié)點(diǎn)和通道組成,它的實(shí)現(xiàn)需要產(chǎn)生和表征節(jié)點(diǎn)間的量子相干和糾纏。量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是量子互連,它以可逆的方式將量子態(tài)從一個(gè)物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)物理系統(tǒng)。量子網(wǎng)絡(luò)中的這種量子連通性可以通過(guò)光和原子的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn),從而允許糾纏在網(wǎng)絡(luò)上分布以及量子態(tài)在節(jié)點(diǎn)之間傳輸。因此,量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建首先需要制備在量子節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)牧孔討B(tài),即可以和節(jié)點(diǎn)相互作用的非經(jīng)典光場(chǎng)的制備;接著將制備的非經(jīng)典光場(chǎng)與節(jié)點(diǎn)相互作用,實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的轉(zhuǎn)移,以構(gòu)建非局域的節(jié)點(diǎn)間糾纏。在連續(xù)變量領(lǐng)域,通常利用光學(xué)參量過(guò)程實(shí)現(xiàn)非經(jīng)典光場(chǎng)的制備,它的非經(jīng)典特性一般用光場(chǎng)的正交分量或偏振分量間的量子糾纏來(lái)描述。其中光場(chǎng)的偏振分量和原子的自旋波均可以用斯托克斯算符來(lái)描述,這樣更有利于討論光場(chǎng)和原子的相互作用,并且光場(chǎng)偏振分量的測(cè)量不需要本地振蕩光,因此我們開(kāi)展了對(duì)偏振非經(jīng)典光場(chǎng)的制備和應(yīng)用研究。量子態(tài)是量子信息處理的基本元素。在遠(yuǎn)距離量子通信中,無(wú)論是光纖還是大氣介質(zhì)中,量子態(tài)會(huì)受到外界環(huán)境的影響引入損耗而使其量子特性降低。量子中繼將量子存儲(chǔ)﹑糾纏蒸餾以及糾纏交換幾個(gè)基本原理結(jié)合,克服了由于遠(yuǎn)距離傳輸引入的一系列損耗,原子節(jié)點(diǎn)可以作為量子中繼器。量子存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)不同物理系統(tǒng)間量子態(tài)的轉(zhuǎn)移,并且與糾纏蒸餾和糾纏交換相結(jié)合為量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了有利條件。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.建立了偏振壓縮光場(chǎng)和偏振糾纏光場(chǎng)的制備系統(tǒng),包括一個(gè)外部倍頻腔和三個(gè)光學(xué)參量放大器。外腔倍頻系統(tǒng)產(chǎn)生的二次諧波用作光學(xué)參量放大器的泵浦光。實(shí)驗(yàn)中,分別利用一個(gè)﹑兩個(gè)和三個(gè)簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大器產(chǎn)生了正交壓縮態(tài)光場(chǎng)﹑EPR糾纏態(tài)光場(chǎng)以及三組份GHZ糾纏態(tài)光場(chǎng),并且經(jīng)過(guò)偏振分束棱鏡耦合后將其轉(zhuǎn)換為偏振壓縮和糾纏態(tài)光場(chǎng)。2.理論提出了實(shí)現(xiàn)雙原子系綜糾纏的方案。首先利用拉曼機(jī)制實(shí)現(xiàn)兩組獨(dú)立的光與原子混合糾纏,然后利用糾纏交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)原子系綜之間糾纏。3.實(shí)驗(yàn)制備了連續(xù)變量三組份GHZ糾纏態(tài)光場(chǎng),并在三個(gè)距離為2.6米的銣原子系綜中利用EIT機(jī)制實(shí)現(xiàn)了三組份糾纏態(tài)光場(chǎng)的存儲(chǔ),通過(guò)量子態(tài)映射的方法建立了三個(gè)原子系綜間的量子糾纏。隨后,將被存儲(chǔ)的糾纏光場(chǎng)通過(guò)三個(gè)光學(xué)通道釋放,通過(guò)對(duì)釋放光場(chǎng)關(guān)聯(lián)方差的測(cè)量驗(yàn)證了原子系綜間量子糾纏的存在。4.量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展依賴于遠(yuǎn)距離量子節(jié)點(diǎn)之間高質(zhì)量的糾纏,在實(shí)際應(yīng)用中不可避免的退相干限制了糾纏的質(zhì)量。將一對(duì)EPR糾纏光通過(guò)量子通道分發(fā)到兩個(gè)獨(dú)立的原子系綜建立原子系綜的糾纏后,二次制備EPR糾纏光場(chǎng)與有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)原子系綜再次干涉實(shí)現(xiàn)原子系綜的糾纏蒸餾。該方案僅需原子系綜量子存儲(chǔ)以及平衡零拍探測(cè),克服了由于遠(yuǎn)距離傳輸可能引入的相位噪聲,實(shí)現(xiàn)了更高量子關(guān)聯(lián)度的原子系綜間的糾纏,而且該方案可以拓展到更多組份的原子系綜之間,用來(lái)蒸餾和純化多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的糾纏。5.高效率的量子存儲(chǔ)可以用于量子計(jì)算﹑量子網(wǎng)絡(luò)以及糾纏蒸餾等方面。理論研究并分析了腔增強(qiáng)連續(xù)變量量子糾纏存儲(chǔ)的模型,并且在實(shí)驗(yàn)中將熱原子系綜放置在光學(xué)諧振腔內(nèi),通過(guò)增強(qiáng)光和原子之間的相互作用,提高光學(xué)存儲(chǔ)效率。所完成的研究工作創(chuàng)新之處如下:1.實(shí)驗(yàn)制備的與銣原子D1吸收線對(duì)應(yīng)的偏振非經(jīng)典光場(chǎng),可以直接和原子系綜相互作用,并且偏振分量的量子噪聲的測(cè)量不需要本地振蕩光,降低了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性。并且可以將實(shí)驗(yàn)方案擴(kuò)展到多組份偏振糾纏光場(chǎng)的制備。2.首次在實(shí)驗(yàn)上利用量子態(tài)映射的方法實(shí)現(xiàn)了三個(gè)遠(yuǎn)距離原子系綜之間的確定性糾纏,而且實(shí)驗(yàn)方案引入的額外噪聲小,可以方便拓展到多個(gè)量子節(jié)點(diǎn)。3.理論上提出了僅需要高斯操作和平衡零拍探測(cè)技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)的原子系綜間的連續(xù)變量糾纏蒸餾,避免了較為復(fù)雜的非高斯操作和效率較低的單光子探測(cè)。
【學(xué)位單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O431.2;O562
【部分圖文】：

量子網(wǎng)絡(luò)

腔QED中量子態(tài)的轉(zhuǎn)移

原子系綜中量子態(tài)的糾纏分發(fā)實(shí)現(xiàn)光和物質(zhì)強(qiáng)耦合的是腔量子電動(dòng)力學(xué)，在光學(xué)和微波領(lǐng)域，利用具有小腔
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