建立遠(yuǎn)距離的量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)對(duì)于量子信息技術(shù)實(shí)用化的發(fā)展具有重要的意義。面向這一目標(biāo),量子中繼成為了解決單光子信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中衰減問(wèn)題的重要途徑之一。在諸多可實(shí)現(xiàn)量子中繼的物理體系中,冷原子系綜具有相干時(shí)間長(zhǎng)和集體增強(qiáng)效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),在所有實(shí)現(xiàn)量子中繼的體系中綜合指標(biāo)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(diǎn)之間的連接效率。我們通過(guò)采用里德堡阻塞機(jī)制,實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用激光冷卻囚禁技術(shù),制備了銣87冷原子系綜,進(jìn)一步的將磁光阱中的原子裝載到光偶極阱中實(shí)現(xiàn)微小原子系綜的制備,為后續(xù)引入里德堡阻塞機(jī)制和制備里德堡態(tài)單激發(fā)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。之后,我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)探究。首先,我們?cè)谙稻C中實(shí)現(xiàn)了基態(tài)雙激發(fā)集體態(tài)的制備,利用拉曼耦合場(chǎng)對(duì)不同基態(tài)激發(fā)進(jìn)行分束器操作,實(shí)現(xiàn)了首個(gè)里德堡原子內(nèi)態(tài)的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉實(shí)驗(yàn),驗(yàn)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(jìn)行Ramsey干涉實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)的超分辨測(cè)量,該實(shí)驗(yàn)為接下來(lái)... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：115 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

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

?第２章冷原子量子中繼基礎(chǔ)???（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(shí)驗(yàn)上，｜ｇ＞和??卜〉的能級(jí)結(jié)構(gòu)可通過(guò)堿金屬原子基態(tài)的Ｚｅｅｍａｎ分裂磁子能級(jí)或者超精細(xì)結(jié)構(gòu)??實(shí)現(xiàn)。起初，原子系綜內(nèi)所有的ｉＶｊ個(gè)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(yīng)，原子會(huì)以極小??的概率ｚ躍遷到丨ｓ〉并輻射出一個(gè)信號(hào)光子（Ｓｉｇｎａｌ），這個(gè)過(guò)程被稱為量子存儲(chǔ)??“寫”（Ｗｒｉｔｅ）的過(guò)程。多光子的激發(fā)與／成冪次方關(guān)系，在ＤＬＣＺ方案中我們通??常會(huì)保持較低的激發(fā)概率（？１％），避免同時(shí)激發(fā)產(chǎn)生兩個(gè)或者兩個(gè)以上的光子。??若探測(cè)到一個(gè)散射的信號(hào)光子，但是無(wú)法判斷是哪一個(gè)原子被激發(fā)，那么原子系??綜則制備在一個(gè)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(gè)原子在系綜中的位置。??寫入過(guò)程后，自旋波被存儲(chǔ)在原子系綜中，在量子中繼方案中，我們需要將??自旋波轉(zhuǎn)化回單光子，一束強(qiáng)的讀光（Ｒｅａｄ）與躍遷卜〉ｅ?共振，原子會(huì)福射??讀出光子（Ｉｄｌｅｒ）并回到原子的基

好像與楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)一??樣，我們不知道光子會(huì)從哪個(gè)狹縫路徑通過(guò)，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(chǔ)了一個(gè)集體激發(fā)態(tài)，表示ＡＢ處兩個(gè)寫光的??相位差與兩個(gè)寫出光子到達(dá)中間ＢＳ位置處的相位差之和。節(jié)點(diǎn)Ｃ－Ｄ之間的糾纏??與Ａ－Ｂ節(jié)點(diǎn)的糾纏過(guò)程類似。??在節(jié)點(diǎn)Ａ－Ｂ、Ｃ－Ｄ的糾纏建立后，整個(gè)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(jìn)一步的對(duì)Ｂ－Ｃ進(jìn)行糾纏交換，糾纏交換的??過(guò)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(xiàn)??我們同時(shí)對(duì)Ｂ和Ｃ兩個(gè)系綜進(jìn)行共振的讀光操作，原子會(huì)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(shí)到達(dá)??ＢＣ節(jié)點(diǎn)中間進(jìn)行Ｂｅｌｌ測(cè)量，探測(cè)到的單光子信號(hào)將系綜Ａ和Ｄ投影到非定域??１２??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]量子信息技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)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(nèi)基于里德堡阻塞機(jī)制的單量子態(tài)制備與操控[D]. 李駿.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017
[2]冷原子量子存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 楊勝軍.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3120633