【摘要】：弱光子流的探測是弱信號檢測領(lǐng)域中的重要科學(xué)和技術(shù)問題。尤其是,單光子水平上的弱光子流探測、單光子源制備及單光子操縱等,不但涉及到量子力學(xué)基本原理的驗證,而且在光量子信息處理、引力波和軸子暗物質(zhì)的探測等方面都有著非常重要的應(yīng)用。我們知道,獲得單光子輻射的途徑有很多；普通的相干光通過功率衰減就可以獲得非嚴格意義下的單光子流；但真正的單光子輻射應(yīng)該是通過激發(fā)單個原子如人工量子點等微觀方式才能得到嚴格意義上的單光子源。論文首先在利用泵浦非線性晶體下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的糾纏光子對作為宣布式單光子源的制備上展開了嘗試。盡管這也不是一種嚴格意義的單光子源產(chǎn)生(其單光子特性依賴于宣布效率),但對簡單的量子力學(xué)原理驗證和單光子探測器測試工作而言,仍是有意義的。實際上,利用泵浦非線性晶體下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的糾纏光子的探測和操縱這一實驗平臺,可以進行基于光子糾纏特性的量子力學(xué)基本原理,如非局域關(guān)聯(lián)性的直接檢驗。首先,我們利用該平臺上的小型光子糾纏源在實驗上驗證了CHSH型Bell不等式的違背。鑒于該商用糾纏源產(chǎn)生的光子糾纏態(tài)不是理想的量子純態(tài),因此利用基于純態(tài)假設(shè)測量基驗證方法所得到的Bell函數(shù)值僅為S=2.100±0.016。這一實驗結(jié)果也違背了定域性Bell不等式的預(yù)言,但離理論值上的最大違背值2√2仍有一定的差距。為改進這一實驗結(jié)果,我們利用量子態(tài)的Tomography方式重構(gòu)了該光子糾纏態(tài)的密度矩陣(結(jié)果證實了該光子糾纏態(tài)的確不是量子純態(tài))�；诖�,我們放棄了純態(tài)假定的驗證方案,建立了基于光子混合糾纏態(tài)的量子非局域關(guān)聯(lián)驗證的新方案,即通過測量基的優(yōu)化,在最佳測量基下我們獲得了較純態(tài)測量基更大的Bell不等式違背,其Bell函數(shù)值達到S=2.772±0.063,從而在很高的可信度上與理論一致�；谶@一思想,我們進一步進行了Hardy型無不等式Bell定理的實驗驗證,實現(xiàn)了梯度高達1000的Hardy型Bell定理的實驗驗證,結(jié)果與量子力學(xué)理論的預(yù)言非常吻合。低溫超導(dǎo)探測器是高量子效率單光子探測的重要實現(xiàn)方式。尤其是工作溫度在1K以下的低溫超導(dǎo)探測器,由于其極小的噪聲、極高的探測靈敏度在近年引起了人們極大關(guān)注。本論文中主要介紹我們在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊界光子探測器(TES)和超導(dǎo)諧振器光子探測器這兩方面的工作。前者利用工作在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近的超導(dǎo)薄膜對入射光子導(dǎo)致的環(huán)境溫度變化引起的線路阻抗變化來實現(xiàn)單光子探測；后者的工作原理則是,入射光子信號破壞超導(dǎo)體內(nèi)的庫珀對產(chǎn)生一定數(shù)量的準粒子,而這些準粒子會改變超導(dǎo)諧振器的動態(tài)電感從而引起可檢測的諧振器性傳輸特性(如共振頻率和位相移動)的變化。在TES光子探測器方面,我們制備了多片鎢超導(dǎo)薄膜TES樣品,并對其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度進行了測量和分析；利用實驗室的稀釋制冷機平臺,我們搭建了器件樣品的R-T曲線四端子測量電路,為下一步的實驗奠定了基礎(chǔ)。在超導(dǎo)諧振器單光子探測方面,我們在實驗室已有四分之一波長超導(dǎo)諧振器實驗研究的基礎(chǔ)上,完成了IQ線路的搭建,實現(xiàn)了從頻域信號讀取升級為時域信號的測量。在完成樣品測量線路相關(guān)噪聲測試的基礎(chǔ)上,我們利用這套線路實現(xiàn)了超導(dǎo)諧振器對弱光信號的時域響應(yīng),實現(xiàn)了1550nm光子數(shù)可分辨的弱光信號探測。此探測器理論上工作波段涵蓋從亞毫米波到X射線范圍內(nèi)的很寬頻帶,從而為未來實現(xiàn)軸子暗物質(zhì)、宇宙微波背景輻射、核輻射和引力波的靈敏探測等重大科學(xué)前沿領(lǐng)域的研究提供可靠的技術(shù)保障。本論文的最后一個工作是我們關(guān)于利用原子相干操縱實現(xiàn)光子聚束的探索。我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)腔和原子處于大失諧耦合狀態(tài)時,通過調(diào)節(jié)腔中原子的疊加特性,可以使腔中光子以很高的二階關(guān)聯(lián)群聚起來。這表明,通過控制腔中原子態(tài)疊加特性,可以實現(xiàn)腔中光場的操控。本章所采用的模型是相當(dāng)普適的,所以即可以應(yīng)用于可見光也可以應(yīng)用于微波波段的光子操縱。在論文的最后對我們進行了總結(jié),并對后續(xù)工作進行了展望。
【圖文】：

逡逑通過兩個探測器來完成，透射光和反射光（圖１－ｌａ））。通過兩個探測做符合測量來判逡逑斷是否為單光子源，這種方法對死時間及后脈沖相對不敏感，最早由Ｈａｎｂｕｒｙ邋Ｂｒｏｗｎ逡逑和Ｔｗｉｓｓ在１９％年提出，稱為ＨＢＴ實驗。逡逑４＾邋ｓｔａｒｔ邋Ｉ邋Ｉｎｔｅｒｖａｌｓ邐ｇ邋０．４－邐＼邋／逡逑／邋Ａｎａｌｙｓｅｒ＾邋Ｓ邋０．２－邐＼逡逑ａ）邋Ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ邐ｂ）邐＾邐＇邐＼邐＇邋Ｊ逡逑Ｔｉｍｅ邋Ｄｅｌａｙ邋（ｎｓ）逡逑圖１－１邋ａ）用于判斷光場態(tài)聚束性質(zhì)的ＨＢＴ實驗方案。兩個探測器的符合計數(shù)表征二階逡逑關(guān)聯(lián)函數(shù)ｂ）理想單光子源符合計數(shù)率和兩路延時時間的關(guān)系（光子的反聚束效應(yīng)）逡逑一個可靠的較強的單光子源存在著很廣泛的應(yīng)用。理論上可Ｗ證明，利用單光子源進逡逑行弱吸收測量，其噪聲性能會比相干光有明顯提升；它同樣可Ｗ應(yīng)用于隨機數(shù)產(chǎn)生，逡逑這在信息處理上很關(guān)鍵。當(dāng)然單光子源在量子信息領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用，如量子逡逑密碼，，量子計算，量子通信等方面有著巨大潛在價值。而本文將利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換逡逑（ＳＰＣＤ）產(chǎn)生的糾纏光子對（宣布式單光子源）實驗上來完成基于Ｂｅｌｌ不等式和Ｈａｒｄｙ逡逑定理的量子非局域性驗證。逡逑基于這些巨大的潛在應(yīng)用價值，人們不斷嘗試不同的方案實現(xiàn)單光子源的制備，逡逑例如

逡逑通過兩個探測器來完成，透射光和反射光（圖１－ｌａ））。通過兩個探測做符合測量來判逡逑斷是否為單光子源，這種方法對死時間及后脈沖相對不敏感，最早由Ｈａｎｂｕｒｙ邋Ｂｒｏｗｎ逡逑和Ｔｗｉｓｓ在１９％年提出，稱為ＨＢＴ實驗。逡逑４＾邋ｓｔａｒｔ邋Ｉ邋Ｉｎｔｅｒｖａｌｓ邐ｇ邋０．４－邐＼邋／逡逑／邋Ａｎａｌｙｓｅｒ＾邋Ｓ邋０．２－邐＼逡逑ａ）邋Ｂｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ邐ｂ）邐＾邐＇邐＼邐＇邋Ｊ逡逑Ｔｉｍｅ邋Ｄｅｌａｙ邋（ｎｓ）逡逑圖１－１邋ａ）用于判斷光場態(tài)聚束性質(zhì)的ＨＢＴ實驗方案。兩個探測器的符合計數(shù)表征二階逡逑關(guān)聯(lián)函數(shù)ｂ）理想單光子源符合計數(shù)率和兩路延時時間的關(guān)系（光子的反聚束效應(yīng)）逡逑一個可靠的較強的單光子源存在著很廣泛的應(yīng)用。理論上可Ｗ證明，利用單光子源進逡逑行弱吸收測量，其噪聲性能會比相干光有明顯提升；它同樣可Ｗ應(yīng)用于隨機數(shù)產(chǎn)生，逡逑這在信息處理上很關(guān)鍵。當(dāng)然單光子源在量子信息領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用，如量子逡逑密碼，量子計算，量子通信等方面有著巨大潛在價值。而本文將利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換逡逑（ＳＰＣＤ）產(chǎn)生的糾纏光子對（宣布式單光子源）實驗上來完成基于Ｂｅｌｌ不等式和Ｈａｒｄｙ逡逑定理的量子非局域性驗證。逡逑基于這些巨大的潛在應(yīng)用價值，人們不斷嘗試不同的方案實現(xiàn)單光子源的制備，逡逑例如
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O431.2

【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 周品嘉;基于低溫超導(dǎo)技術(shù)的弱光探測[D];西南交通大學(xué);2014年

2 袁浩;基于微波調(diào)控技術(shù)的量子非局域關(guān)聯(lián)研究[D];西南交通大學(xué);2013年

本文編號：2519141