二十世紀(jì)以來,量子信息作為一門新興的學(xué)科受到了廣泛的關(guān)注。在經(jīng)典通信領(lǐng)域面臨著一系列不易克服的難題時,量子信息技術(shù)可以提供相應(yīng)的應(yīng)對方法。量子隱形傳態(tài)、量子密鑰分配等技術(shù)使信息傳遞的安全性得到了保障,量子態(tài)的疊加性使得可以編碼及存儲高密度的信息。作為一種重要的量子信息資源,量子糾纏一直是研究的一大熱點(diǎn)。然而,研究表明,在執(zhí)行量子信息任務(wù)時,還可以存在著其他的量子信息資源,如量子discord和量子相干等,這些量子信息資源同樣有著研究和利用的價值。另一方面,無線光通信給人們的生活和工作都帶來了諸多的方便。因此,將量子信息資源加入到無線光通信中有很好的應(yīng)用前景。人們發(fā)現(xiàn),如果一束光具有渦旋相位結(jié)構(gòu),其攜帶的光子會有著整數(shù)形式的軌道角動量(Orbital angular momentum,OAM)模式,這種整數(shù)形式的OAM量子數(shù)在無線光通信任務(wù)中可以很好地用來編碼量子信息。然而,由于量子信息資源的脆弱性,在自由空間中傳播時難免會受到周圍環(huán)境的干擾。在光束的傳播過程中,最常見的隨機(jī)介質(zhì)就是由于大氣的溫度和壓強(qiáng)等條件引起的大氣湍流。大氣湍流引起大氣折射率隨機(jī)起伏,使得光束在傳播過程中相位產(chǎn)生畸變,從而產(chǎn)生干擾信號,使OAM編碼的量子信息受到破壞。因此,研究OAM光子所編碼的量子信息資源在大氣湍流中的演化規(guī)律對提高量子信息在無線通信中的傳輸效率及對量子信息資源的保護(hù)具有重要的意義。本論文研究了大氣湍流中OAM光子的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子相干傳輸特性。主要工作如下:(1)研究了 Kolmogorov湍流大氣中軌道角動量部分糾纏的雙光子量子比特的量子性(量子糾纏、量子discord以及量子相干)的衰減特性。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)初始量子態(tài)不是最大糾纏時,量子相干和量子discord的衰減特性與量子糾纏的有本質(zhì)上的區(qū)別。另外,分別得到量子相干和量子discord滿足的普適衰減規(guī)律,并演示了量子相干比非經(jīng)典關(guān)聯(lián)在衰減的過程中更具魯棒性。(2)通過信道容量研究了非Kolmogorov大氣湍流情況下不同相位畸變對OAM單光子傳輸?shù)挠绊憽τ诜荎olmogorov模型,大氣湍流的特性可以由不同的因素決定,包括海拔高度的增加、變化的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)以及非Kolmogorov譜的指數(shù)參量。研究發(fā)現(xiàn),包括Z傾斜畸變、散焦畸變、像散畸變以及慧差畸變等低階相位畸變對信號的影響各不相同,其中Z傾斜畸變對信號衰減的影響更力加重要。(3)討論了需要考慮非Kolmogorov湍流效應(yīng)的OAM雙光子在自由空間大氣信道中的非水平地傳輸特性。研究發(fā)現(xiàn),量子糾纏和discord的普適衰減規(guī)律在非Kolmogorov湍流中同樣存在,但是其衰減曲線與Kolmogorov湍流中的不同,且普適衰減規(guī)律取決于非Kolmogorov譜的指數(shù)參量。進(jìn)一步對比了在非Kolmogorov湍流影響下糾纏和discord衰減特性的不同。
【學(xué)位單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O413;TN929.1
【部分圖文】：

即波函數(shù)的相位部分具有exp(il )的形式，那么這束光所攜帶的光播方向光軸的軌道角動量本征值l 。光子的軌道角動量是光子所帶有整數(shù)形式的量子數(shù)l ，理論上 可以有無窮多種取值[13-16]，可以用于信息，在無線光通信中具有不錯的應(yīng)用前景。2 年渦旋光束攜帶具有軌道角動量的光子(Orbital-angular-momentumM 光子)的觀點(diǎn)提出后，近 20 多年內(nèi)，渦旋光束已經(jīng)得到了廣泛的研于制作光鑷、光學(xué)扳手，經(jīng)典通信和量子通信，顯微鏡下的相位對和量子計量學(xué)中的進(jìn)一步應(yīng)用，以及天文學(xué)中的應(yīng)用。經(jīng)有多種渦旋光束的產(chǎn)生方法，例如模式轉(zhuǎn)換法[17]，螺旋相位板法[空間光調(diào)制器法[20]等。其中最為普遍最常見的產(chǎn)生渦旋相位結(jié)構(gòu)光束板法，如圖 1-1 所示，該方法使用的是一種形狀如同螺旋狀的階梯的e Plate)，相位板折射率固定，螺旋狀階梯的每層臺階具有不同的厚度的光束通過該相位板時，光束通過不同厚度的位置會有不同的光程的相位差，最終光束在通過相位板之前和通過相位板之后會由于相位生螺旋形式的相位差，也就產(chǎn)生了帶有 OAM 光子的渦旋光束(Helica

-2 自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換制備 OAM 光子糾纏態(tài)(此圖取自 Nature Phys. 2007, 3(5): 305-310帶 OAM 光子的激光光束在湍流大氣中傳播時，由于大氣折射率的隨機(jī)波的相位結(jié)構(gòu)將會遭到破壞，產(chǎn)生相位畸變，造成信號 OAM 光子的丟失，他模式的干擾信號[22]。基于已有的大氣湍流理論，國內(nèi)外已經(jīng)對大氣湍光子通信以及糾纏 OAM 光子對的傳輸情況作了大量的研究工作。基于以式的譜分解，C. Paterson 提出了 OAM 光子在大氣湍流影響下的探測幾率的，并且以 Kolmogorov 湍流模型為例從理論上分析了大氣湍流對 OAM 光[22]。隨后，C. Gopaul 等人推導(dǎo)出了在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換情況下糾纏 OAMmogorov 大氣湍流中的探測幾率[23]，包括給定探測到的雙光子模式的聯(lián)合一個光子模式的條件概率等。J. R. Gonzalez Alonso 等人從理論上研rov 大氣湍流對 OAM 光子狀態(tài)的影響[24]，并且從理論上提出了一種近似正的方法來保護(hù) OAM 量子態(tài)在大氣中傳輸時減少湍流對其產(chǎn)生的影響，OAM 光子的保護(hù)十分有限，有待與其他技術(shù)(如自適應(yīng)光學(xué)等)相結(jié)合來子的通信質(zhì)量。A. H. Ibrahim 等人從實(shí)驗和數(shù)值模擬上同時研究了大氣湍光子和 OAM 雙光子傳輸過程中的影響[25]。值得注意的是，他們考慮的 OA

圖 2-1 LG 光束光強(qiáng)分布圖 2-2 LG 光束相位分布帶 OAM 光子的渦旋光束在大氣湍流中傳播時，由于湍流大氣的折射束的波前將會受到大氣湍流的破壞，其波函數(shù)的相位將會產(chǎn)生畸變，束所攜帶的光子 OAM 數(shù)值不同的干擾信號，這些干擾信號對應(yīng)著子信號的丟失。2005 年，C. Paterson 基于譜分解的方法從理論上提出光源所攜帶的 OAM 光子的 OAM 量子數(shù)的前提下得出光束經(jīng)過傳播干擾信號的概率(或者說是各種 OAM 模式能量的占比)的算法[22]。
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本文編號：2862922