【摘要】：近年來,量子信息科學(xué)快速發(fā)展,展現(xiàn)出了誘人的應(yīng)用前景。小型化集成化的量子光學(xué)芯片使得量子信息處理更加穩(wěn)定,擴(kuò)展性更強(qiáng),成為了量子信息科學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。糾纏光子作為量子信息科學(xué)的一個(gè)重要物理資源,其產(chǎn)生與調(diào)控成為了重點(diǎn)的研究內(nèi)容。而空間特性是糾纏光子基礎(chǔ)且重要的一個(gè)調(diào)控維度。沿著量子信息科學(xué)的發(fā)展方向,更加集成化地產(chǎn)生和調(diào)控糾纏光子成了大勢所趨。光學(xué)超晶格是最常用的一種產(chǎn)生糾纏光子的材料,利用靈活的疇工程技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)特殊性質(zhì)糾纏光子的高效產(chǎn)生。本論文具體涉及以下幾方面的研究內(nèi)容：1、利用周期極化的鉭酸鋰晶體直接制備了具有橫向動(dòng)量正關(guān)聯(lián)、位置反關(guān)聯(lián)的反EPR糾纏態(tài)。理論計(jì)算了泵浦光聚焦參數(shù)對糾纏光子空間關(guān)聯(lián)的調(diào)控特性。并實(shí)驗(yàn)上利用緊聚焦的泵浦光,在鉭酸鋰光學(xué)超晶格中制備了反EPR態(tài)。通過對其動(dòng)量、位置不確定度的測量,計(jì)算出其動(dòng)量位置不確定度乘積為(△X+)2(△p-)2=0.14±0.02h2,小于h2,從而驗(yàn)證了反EPR態(tài)的成功制備。2、通過理論計(jì)算,得到了不同動(dòng)量關(guān)聯(lián)特性下鬼成像分辨率和放大率的解析表達(dá)式。鬼成像的放大率由外部放大率和內(nèi)稟放大率兩部分組成,通過鬼成像實(shí)驗(yàn)測量得到內(nèi)稟放大率可以用來作為糾纏度的判據(jù)。更重要的是,根據(jù)分辨率的表達(dá)式可以得到糾纏光子不同動(dòng)量關(guān)聯(lián)特性下,光路配置、晶體長度及泵浦光束腰對分辨率的影響。此外,我們給出了在不同配置參數(shù)下,鬼成像的數(shù)值模擬。這對于鬼成像的實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用都具有指導(dǎo)性的意義。3、將經(jīng)典光學(xué)中的菲涅爾波帶片結(jié)構(gòu)引入到了光學(xué)超晶格中。通過將鉭酸鋰晶體極化成波帶片結(jié)構(gòu),制備了非線性菲涅爾波帶片。并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這種非線性波帶片可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)二次諧波產(chǎn)生與成像。此外,我們將波帶片結(jié)構(gòu)引入到一維光學(xué)超晶格的橫向調(diào)制上,通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)等效為同時(shí)集成了均勻一維超晶格與具有多焦點(diǎn)的透鏡。利用這種結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)多焦距的無透鏡鬼成像,使得對糾纏雙光子空間關(guān)聯(lián)的調(diào)控更加便捷,集成化。4、基于量子糾錯(cuò)編碼中的Shor碼方案,我們提出了兩種針對光子為量子信息載體的量子糾錯(cuò)方案。一種是編碼在單光子多自由度上的量子糾錯(cuò)編碼方案,利用這種方案,可以便捷地實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò),且大大降低了對光子數(shù)的要求。針對該方案,我們設(shè)計(jì)了完整的實(shí)驗(yàn)光路。此外,針對方案后續(xù)應(yīng)用上可能存在的問題,我們提出了另一種編碼在雙光子多自由度上的量子糾錯(cuò)編碼方案,該方案可以有效的解決差錯(cuò)檢驗(yàn)時(shí)探測問題。這兩個(gè)方案的提出,為光子為載體的量子糾錯(cuò)編碼方案拓寬了思路。
[Abstract]:In recent years, quantum information science has developed rapidly, showing attractive application prospects. The miniaturization and integration of quantum optical chips makes quantum information processing more stable and expansible, which has become a new development direction of quantum information science. Entangled photons as an important physical resource of quantum information science, its generation and regulation has become the focus of research. Spatial properties are the basis of entanglement photons and an important regulatory dimension. Along with the development direction of quantum information science, more integrated generation and control of entangled photons has become the general trend. Optical superlattices are the most commonly used materials for the generation of entangled photons. The efficient generation of entangled photons with special properties can be achieved by using flexible domain engineering techniques. The main contents of this thesis are as follows: 1. The anti-EPR entangled states with transverse momentum positive correlation and position inverse correlation were prepared directly by using periodically polarized lithium tantalate crystals. The effects of pump light focusing parameters on the spatial correlation of entangled photons are calculated theoretically. An anti-EPR state was prepared in an optical superlattice of lithium tantalate using tightly focused pumping light. By measuring the momentum and position uncertainty, it is calculated that the product of momentum position uncertainty is (X) 2 (p -) 2 0. 14 鹵0. 02 h 2, which is less than H 2, thus validating the successful preparation of anti-EPR states. 2. Through theoretical calculation, it is proved that the anti-EPR states have been prepared successfully. 2. The analytical expressions of resolution and magnification for ghost imaging with different momentum correlation characteristics are obtained. The magnification rate of ghost imaging consists of two parts: external magnification rate and intrinsic magnification rate. The intrinsic magnification rate can be used as a criterion for the degree of entanglement through the measurement of ghost imaging experiment. More importantly, according to the resolution expression, the effects of optical path configuration, crystal length and pump beam waist on the resolution of entangled photons are obtained under different momentum correlation characteristics of entangled photons. In addition, we give the numerical simulation of ghost imaging under different configuration parameters. This is instructive to the experiments and applications of ghost imaging. 3. The Fresnel zone plate structure in classical optics is introduced into the optical superlattice. The nonlinear Fresnel zone plates were prepared by polarizing lithium tantalate crystals into wave zone plates. The experimental results show that the nonlinear zone plate can generate and image the second harmonic simultaneously. In addition, we introduce the zone plate structure into the transverse modulation of one-dimensional optical superlattices. It is found by theoretical calculations that one of these structures is equivalent to a uniform one-dimensional superlattice and a lens with multi-focal points. With this structure, the multi-focal lens-free ghost imaging can be realized, which makes the control of entangled two-photon spatial correlation more convenient and integrated. 4, based on the Shor code scheme in quantum error correction coding, We propose two quantum error correction schemes for photons as quantum information carriers. One is a quantum error correction coding scheme encoded on a single photon with multiple degrees of freedom. With this scheme, quantum error correction can be realized conveniently, and the requirement of photon number is greatly reduced. For this scheme, we design a complete experimental optical path. In addition, aiming at the possible problems in the subsequent application of the scheme, we propose another quantum error correction coding scheme based on two-photon multi-degree-of-freedom coding, which can effectively solve the problem of error detection. These two schemes widen the idea of quantum error correction coding scheme based on photons.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O431.2

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本文編號：2433540