本文選題：量子存儲(chǔ) + 糾纏��； 參考：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近三十年來(lái)量子力學(xué)的理論逐漸應(yīng)用于自然科學(xué)的各個(gè)方面,對(duì)不同學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用,同時(shí)它本身也得到了極大豐富和發(fā)展,并與其它學(xué)科結(jié)合形成了一些新的交叉學(xué)科。量子信息科學(xué)就是在這樣的形式下應(yīng)運(yùn)而生了。利用量子信息技術(shù),科學(xué)家有望實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的量子通信和遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)。在量子通信中,信息通過(guò)糾纏交換和量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離中繼傳輸;而在量子計(jì)算中,信息需要經(jīng)過(guò)量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子信息處理過(guò)程。因此量子存儲(chǔ)在量子信息科學(xué)中具有非常重要的作用,它直接決定長(zhǎng)距離量子通信和復(fù)雜量子計(jì)算的可行性。在量子信息中,糾纏信息一般加載在光子的不同自由度上。目前基于單個(gè)自由度糾纏的量子存儲(chǔ)在不同體系中均有進(jìn)展。然而通用、大容量量子通信和量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)需要存儲(chǔ)多自由度的量子糾纏,因而實(shí)現(xiàn)多自由度糾纏的量子存儲(chǔ)是目前量子信息領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本論文以實(shí)現(xiàn)多自由度糾纏存儲(chǔ)為目標(biāo),主要開(kāi)展了基于原子系綜體系制備各種不同自由度的糾纏源和實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度量子糾纏存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究。本論文的研究工作對(duì)于通用、大容量量子計(jì)算和量子通信的實(shí)現(xiàn)具有重要的參考價(jià)值。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.實(shí)驗(yàn)研究了基于原子系綜的不同自由度糾纏光源的制備。介紹了各種不同自由度糾纏光源的產(chǎn)生方法和光源制備的核心-自發(fā)四波混頻(SFWM)過(guò)程,闡明了在梯形、雙λ形和菱形能級(jí)中SFWM的光路設(shè)計(jì),并以熱原子梯形能級(jí)為例,詳細(xì)介紹了非經(jīng)典780 nm-776 nm光子對(duì)的產(chǎn)生和非經(jīng)典特性的驗(yàn)證。2.探索了偏振自由度下雙色糾纏光源在原子系綜中的產(chǎn)生和存儲(chǔ)。在冷原子系綜中成功制備雙色偏振糾纏光源的基礎(chǔ)上,我們將糾纏光源中的紅外光子耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸,將可見(jiàn)光子導(dǎo)入第二個(gè)冷原子系綜中,并利用一種增強(qiáng)型電磁誘導(dǎo)透明(EIT)存儲(chǔ)方案進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙色偏振糾纏可以被高保真的存儲(chǔ)于原子系綜中。3.實(shí)驗(yàn)研究了基于DLCZ協(xié)議位置-動(dòng)量基Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏存儲(chǔ)。利用激光冷卻制備的冷原子團(tuán),在原子系綜中通過(guò)SRS過(guò)程,產(chǎn)生了在位置-動(dòng)量EPR糾纏的單光子和原子自旋波,在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間存儲(chǔ)后,將自旋波讀出為單光子,然后通過(guò)鬼成像和鬼干涉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明位置-動(dòng)量EPR糾纏可以有效的存儲(chǔ)于冷原子系綜中。4.實(shí)驗(yàn)研究了在偏振自由度和軌道角動(dòng)量(OAM)自由度下多自由度糾纏的量子存儲(chǔ)。包含兩個(gè)過(guò)程:第一過(guò)程是利用兩個(gè)冷原子系綜,在第一個(gè)原子系綜中通過(guò)SRS過(guò)程,在馬赫曾德(MZ)干涉儀的輔助下,制備單光子與、原子自旋波的超糾纏,并將單光子導(dǎo)入第二個(gè)原子系綜中進(jìn)行存儲(chǔ),從而建立兩個(gè)原子系綜之間的超糾纏;第二個(gè)過(guò)程利用SRS過(guò)程和Sagnac干涉儀,制備單光子OAM態(tài)與第一個(gè)原子系綜中原子自旋波的在不同自由度的雜化糾纏,再將該單光子存儲(chǔ)在第二個(gè)原子系綜中,從而制備兩個(gè)原子系綜在多自由度上的雜化糾纏。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)構(gòu)建密度矩陣、檢驗(yàn)Clauser-Home-Shimony-Holt(CHSH)類型貝爾不等式的違背、刻畫干涉曲線、驗(yàn)證糾纏Witness等方式,驗(yàn)證了存儲(chǔ)前后的糾纏。本論文的特色和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:1.系統(tǒng)全面地介紹了基于原子系綜的梯形、雙λ形和菱形能級(jí)利用SFWM過(guò)程產(chǎn)生非經(jīng)典光源和不同自由度糾纏光源的一般方法。2.首次實(shí)現(xiàn)了雙色偏振糾纏光子對(duì)的量子存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)演示了長(zhǎng)距離量子通信中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能:將一對(duì)雙色糾纏光子中的一個(gè)光子存儲(chǔ)在原子系綜中,另一個(gè)紅外光子導(dǎo)入光纖中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,建立了原子自旋波與紅外光子之間的糾纏。由于紅外光子在光纖中具有低損耗傳輸?shù)奶匦?因此這種方案能夠減少長(zhǎng)距離量子通信所需要的中繼個(gè)數(shù),對(duì)未來(lái)基于光纖的長(zhǎng)距離量子通信具有重要參考價(jià)值。3.首次在冷原子系綜中完成了對(duì)位置動(dòng)量基矢下的EPR糾纏的量子存儲(chǔ)。在一個(gè)原子系綜中通過(guò)自發(fā)拉曼散射實(shí)現(xiàn)可存儲(chǔ)的原子自旋波和單光子的ERP位置動(dòng)量糾纏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光子的位置動(dòng)量.EPR糾纏能夠被高保真的存儲(chǔ)。這可以用于基于空間復(fù)用的量子信息處理過(guò)程。4.首次利用偏振自由度和軌道角動(dòng)量自由度實(shí)現(xiàn)了超糾纏和雜化糾纏的量子存儲(chǔ):實(shí)現(xiàn)2(?)3(二維偏振糾纏(?)三維軌道角動(dòng)量糾纏)超糾纏態(tài)的量子存儲(chǔ)和偏振自由度與軌道角動(dòng)量自由度的雜化糾纏的量子存儲(chǔ)。這為各種復(fù)雜的量子通信協(xié)議和量子模擬協(xié)議提供通用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[Abstract]:The theory of quantum mechanics is gradually applied to all aspects of natural science in the last three decades , and it has a great contribution to the development of quantum information technology . In this paper , the quantum storage of one node in long - distance quantum communication is presented . The quantum storage of one node in long - distance quantum communication is demonstrated . The quantum storage of the quantum storage and the polarization degree of freedom and the degree of freedom of the orbital angular momentum are achieved by spontaneous Raman scattering in an atomic ensemble .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O431.2

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本文編號(hào)：1843114