建立遠距離的量子通信和量子網(wǎng)絡對于量子信息技術實用化的發(fā)展具有重要的意義。面向這一目標,量子中繼成為了解決單光子信號在網(wǎng)絡中衰減問題的重要途徑之一。在諸多可實現(xiàn)量子中繼的物理體系中,冷原子系綜具有相干時間長和集體增強效應等優(yōu)點,在所有實現(xiàn)量子中繼的體系中綜合指標較好。然而傳統(tǒng)的DLCZ方案為了避免高階激發(fā)仍然具有概率性的缺陷,這大大限制了量子節(jié)點之間的連接效率。我們通過采用里德堡阻塞機制,實現(xiàn)確定性的制備和操控單量子態(tài),克服了原有量子中繼方案中的概率性缺陷。在本文的研究中,我們首先搭建了一套冷原子系綜的實驗平臺,利用激光冷卻囚禁技術,制備了銣87冷原子系綜,進一步的將磁光阱中的原子裝載到光偶極阱中實現(xiàn)微小原子系綜的制備,為后續(xù)引入里德堡阻塞機制和制備里德堡態(tài)單激發(fā)奠定了實驗基礎。之后,我們進行了一系列的實驗探究。首先,我們在系綜中實現(xiàn)了基態(tài)雙激發(fā)集體態(tài)的制備,利用拉曼耦合場對不同基態(tài)激發(fā)進行分束器操作,實現(xiàn)了首個里德堡原子內態(tài)的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉實驗,驗證了原子集體激發(fā)的量子性,利用其形成的NOON糾纏態(tài)進行Ramsey干涉實現(xiàn)了磁場的超分辨測量,該實驗為接下來... 

【文章來源】：中國科學技術大學安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：115 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖２．１量子中繼原理圖??注：圖片取自文獻【２９］??具體過程如圖２．１所示，為了在兩個遠距離節(jié)點Ａ和Ｚ之間建立量子通信，??

?第２章冷原子量子中繼基礎???（ａ）?｜ｅ＞?｜ｅ＞?（ｂ）??ｆ＼?＜?＼?ｓｉｇｎａｌ??ｗｒｉｔｅ／?、ｓｉｇｎａｌ?＾?ｉｄｌｅｒ?＼?ｒｅａｄ?ｗｒｉｔｅ?８００?ｒｅａｄ??／?ｋ?／?Ｌ??／?＜?｜Ｓ＞??ＯＱ＾?Ｑ?ｄｌＵＱ??ｌｇ＞?ｌｓ＞??圖２．２?ＤＬＣＺ原理圖??中的躍遷為｜ｇ〉＾?｜ｅ〉和卜〉ｅ?｜ｅ〉。和卜〉之間躍遷禁戒，在實驗上，｜ｇ＞和??卜〉的能級結構可通過堿金屬原子基態(tài)的Ｚｅｅｍａｎ分裂磁子能級或者超精細結構??實現(xiàn)。起初，原子系綜內所有的ｉＶｊ個原子都處于基態(tài)｜０，一束失諧為兒功率??很低的光脈沖將原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)ｋ〉，由于自發(fā)拉曼散射效應，原子會以極小??的概率ｚ躍遷到丨ｓ〉并輻射出一個信號光子（Ｓｉｇｎａｌ），這個過程被稱為量子存儲??“寫”（Ｗｒｉｔｅ）的過程。多光子的激發(fā)與／成冪次方關系，在ＤＬＣＺ方案中我們通??常會保持較低的激發(fā)概率（？１％），避免同時激發(fā)產(chǎn)生兩個或者兩個以上的光子。??若探測到一個散射的信號光子，但是無法判斷是哪一個原子被激發(fā)，那么原子系??綜則制備在一個集體相干激發(fā)態(tài)上，被稱為原子集體自旋波態(tài)（Ｓｐｉｎ－ｗａｖｅ），可??表示為：??Ｎ??＼＾）ｓｗ?＝?￣＾＝?ｙ?，…，Ｓｊ，…，ｇＮ）?（２．２）??其中，ｉＶ為原子數(shù)，為寫光波矢，為寫出光子的波矢，４１?＝?１？，－石？，。??為自旋波的波矢，是第ｊ個原子在系綜中的位置。??寫入過程后，自旋波被存儲在原子系綜中，在量子中繼方案中，我們需要將??自旋波轉化回單光子，一束強的讀光（Ｒｅａｄ）與躍遷卜〉ｅ?共振，原子會福射??讀出光子（Ｉｄｌｅｒ）并回到原子的基

好像與楊氏雙縫干涉實驗一??樣，我們不知道光子會從哪個狹縫路徑通過，那么系綜Ａ和Ｂ將塌縮到糾纏態(tài)：??｜ｖ／）ａＡ＝?ｌ／＼／２（Ｓｌ?＋?ｓ＇ｅ＾）ｌ〇＞?（２．５）??其中丨表示系綜中存儲了一個集體激發(fā)態(tài)，表示ＡＢ處兩個寫光的??相位差與兩個寫出光子到達中間ＢＳ位置處的相位差之和。節(jié)點Ｃ－Ｄ之間的糾纏??與Ａ－Ｂ節(jié)點的糾纏過程類似。??在節(jié)點Ａ－Ｂ、Ｃ－Ｄ的糾纏建立后，整個體系的態(tài)可以寫成為??了拓展糾纏分發(fā)的距離，我們可以進一步的對Ｂ－Ｃ進行糾纏交換，糾纏交換的??過程如圖２．３所示。??Ａ?°??隣?Ｗ?ｃ〇?偏??｛?００＾００??圖２．３?ＤＬＣＺ方案單光子糾纏交換示意圖??注：圖片取自文獻??我們同時對Ｂ和Ｃ兩個系綜進行共振的讀光操作，原子會在相位匹配方向??上輻射出讀出光子回到原子的基態(tài)，Ｂ和Ｃ各自輻射出光子和Ｃ＇同時到達??ＢＣ節(jié)點中間進行Ｂｅｌｌ測量，探測到的單光子信號將系綜Ａ和Ｄ投影到非定域??１２??

【參考文獻】：
期刊論文
[1]量子信息技術發(fā)展態(tài)勢與規(guī)劃分析[J]. 唐川,房俊民,王立娜,張娟.  世界科技研究與發(fā)展. 2017(05)

博士論文
[1]冷原子系綜內基于里德堡阻塞機制的單量子態(tài)制備與操控[D]. 李駿.中國科學技術大學 2017
[2]冷原子量子存儲器的實驗研究[D]. 楊勝軍.中國科學技術大學 2015



本文編號：3120633