本文選題：量子中繼 + 量子存儲�。� 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：實(shí)現(xiàn)大尺度的量子通信和量子網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)前量子信息技術(shù)研究的核心內(nèi)容之一,量子中繼在其中起到至關(guān)重要的作用。冷原子系綜是一個(gè)十分有希望用于構(gòu)建量子中繼系統(tǒng)的物理體系,然而其現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方案具有不可避免的概率性缺陷。通過引入里德堡阻塞機(jī)制,我們能克服系綜體系的概率性缺陷,實(shí)現(xiàn)確定性的單量子態(tài)制備與操控以及確定性的量子糾纏態(tài)制備,進(jìn)而推動(dòng)量子中繼技術(shù)的快速發(fā)展。我們結(jié)合冷原子系綜內(nèi)基于概率源的傳統(tǒng)量子存儲、里德堡原子操控和里德堡阻塞效應(yīng)等方面的研究成果,搭建了全新的里德堡冷原子系綜量子信息處理實(shí)驗(yàn)平臺,完成了一系列探索和研究工作。我們首先解決了至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)問題,如制備了微小原子系綜,獲得了窄線寬激光系統(tǒng),等等。之后利用里德堡態(tài)電磁誘導(dǎo)透明機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了里德堡態(tài)操縱,并觀測到了里德堡強(qiáng)相互作用導(dǎo)致的非線性現(xiàn)象。進(jìn)而在微小系綜中,我們實(shí)現(xiàn)了里德堡阻塞和里德堡單激發(fā)態(tài)的相干操縱,確定性地制備了里德堡態(tài)和基態(tài)的集體激發(fā)態(tài)。進(jìn)一步地,利用里德堡阻塞機(jī)制,我們在同一個(gè)冷原子系綜中制備了兩個(gè)基態(tài)集體激發(fā)態(tài),并且利用受激拉曼躍遷實(shí)現(xiàn)了二者的Hong-Ou-Mandel干涉。該結(jié)果不僅為確定性制備光與冷原子系綜糾纏奠定了基礎(chǔ),也是單系綜多量子比特編碼研究的實(shí)驗(yàn)開端。最后,我們利用兩個(gè)集體激發(fā)態(tài)在里德堡阻塞機(jī)制下的動(dòng)態(tài)演化、讀出過程中的干涉效應(yīng),制備了極化自由度的光與原子糾纏。該方案的內(nèi)稟效率為50%,這與以往概率性糾纏產(chǎn)生方案相比提升了兩個(gè)數(shù)量級,將在量子中繼系統(tǒng)中有重要應(yīng)用。里德堡阻塞機(jī)制下的微小冷原子系綜,結(jié)合了系綜體系的集體增強(qiáng)優(yōu)勢和單粒子體系的確定性態(tài)制備及操控優(yōu)勢,在量子信息處理應(yīng)用方面擁有廣闊前景。我們相信,結(jié)合光晶格、腔增強(qiáng)技術(shù)的"里德堡型"量子中繼器,是未來實(shí)現(xiàn)高效可用量子中繼器的有力解決方案。
[Abstract]:The realization of large-scale quantum communication and quantum network is one of the core contents of quantum information technology, in which quantum relay plays an important role. Cold atomic ensemble is a promising physical system for constructing quantum relay systems. However, its existing implementation schemes have inevitable probabilistic defects. By introducing the Rydberg blocking mechanism, we can overcome the probabilistic defects of ensemble systems and realize the preparation and manipulation of deterministic single quantum states and deterministic quantum entangled states, thus promoting the rapid development of quantum relay technology. Based on the traditional quantum storage based on probabilistic source, Rydberg atomic manipulation and Rydberg blocking effect in cold atomic ensemble, we have built a new experimental platform for the processing of quantum information in cold atomic ensemble. A series of explorations and studies have been completed. We first solved some important experimental technical problems, such as the fabrication of micro atomic ensemble, the gain of narrow linewidth laser system, and so on. Then using the electromagnetic induced transparency mechanism of the Rydberg state, the Rydberg state manipulation is realized, and the nonlinear phenomena caused by the strong Rydberg interaction are observed. Furthermore, in the micro ensemble, we realize the coherent manipulation of the Rydberg blocking and the Rydberg single excited states, and prepare the collective excited states of the Rydberg state and the ground state in a deterministic way. Furthermore, by using the Rydberg blocking mechanism, we have prepared two ground state collective excited states in the same cold atomic ensemble, and we have realized the Hong-Ou-Mandel interference between them by the stimulated Raman transition. The results not only lay a foundation for the deterministic preparation of atomic ensemble entanglement, but also serve as the beginning of the research on single ensemble quantum bit coding. Finally, we make use of the dynamic evolution of two collective excited states under the Rydberg blocking mechanism and the interference effect in the readout process to prepare the polarized degree of freedom of light and atomic entanglement. The intrinsic efficiency of the proposed scheme is 50, which is two orders of magnitude higher than the previous probabilistic entanglement generation schemes, and will have important applications in quantum relay systems. The micro cold atomic ensemble based on the Rydberg blocking mechanism combines the collective enhancement advantage of the ensemble system with the deterministic state preparation and manipulation advantages of the single-particle system and has a broad prospect in quantum information processing applications. We believe that the "Rydberg" quantum repeater, which combines the optical lattice and cavity enhancement technology, is a powerful solution to the future realization of efficient and usable quantum repeaters.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O413;O562

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