發(fā)布時(shí)間：2020-10-15 02:43

　　 自上個(gè)世紀(jì)以來,量子力學(xué)和信息科學(xué)產(chǎn)生了一個(gè)交叉學(xué)科：量子信息科學(xué)。在這個(gè)領(lǐng)域中,量子通訊可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的信息傳遞,正在成為各個(gè)國家激烈競(jìng)爭(zhēng)的下一代安全通信體系的焦點(diǎn),并極有可能對(duì)人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。經(jīng)典通訊中,信息以直接放大的中繼方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸；量子通訊則需要利用量子存儲(chǔ)和糾纏交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子信息的遠(yuǎn)距離中繼傳輸。所以,量子存儲(chǔ)器作為一個(gè)關(guān)鍵的量子邏輯器件實(shí)現(xiàn)信息的儲(chǔ)存和釋放,實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)是量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)通訊的關(guān)鍵技術(shù)之一,它直接影響量子通訊的可行性。如何通過提高存儲(chǔ)器的容量和速率來高效地進(jìn)行量子通訊成為目前的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。在提高量子存儲(chǔ)容量方面,基于軌道角動(dòng)量(OAM)的光場(chǎng)的量子存儲(chǔ)能夠顯著提升量子網(wǎng)絡(luò)的信息容量,對(duì)構(gòu)建高容量信息網(wǎng)絡(luò)具有重大意義；在高速率的量子存儲(chǔ)方面,拉曼存儲(chǔ)方案具備存儲(chǔ)大帶寬光子的潛力,對(duì)實(shí)現(xiàn)高速量子網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要；所以本論文主要以實(shí)現(xiàn)高速、高容量的量子存儲(chǔ)為目標(biāo)開展實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)研究軌道角動(dòng)量存儲(chǔ)、基于拉曼協(xié)議的存儲(chǔ)等等。本論文的工作對(duì)于未來實(shí)現(xiàn)高容量、高速的量子通訊具有非常前景的研究意義。 本論文主要有以下幾部分內(nèi)容： 1.實(shí)驗(yàn)研究攜帶圖像信息的單光子的量子存儲(chǔ)。通過激光冷卻技術(shù)制備了兩個(gè)冷原子系綜,利用其中一個(gè)冷原子系綜自發(fā)拉曼過程制備標(biāo)記單光子,并利用螺旋相位片使該光子攜帶OAM,并具有特殊的空間結(jié)構(gòu)。然后利用電磁誘導(dǎo)透明(EIT)存儲(chǔ)方案實(shí)現(xiàn)對(duì)OAM以及它的疊加態(tài)在另外一個(gè)原子系綜的量子存儲(chǔ),結(jié)果證明單光子攜帶的OAM及其疊加態(tài)都可以被高保真地保存。 2.探索存儲(chǔ)高維量子態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)攜帶OAM的單光子的基礎(chǔ)上,使用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光子高維編碼,再利用空間光調(diào)制器和單模光纖對(duì)存儲(chǔ)恢復(fù)出來的光子進(jìn)行投影測(cè)量,如此便實(shí)現(xiàn)了對(duì)單光子高維態(tài)的編碼、存儲(chǔ)以及測(cè)量的全過程。為了驗(yàn)證單光子三維疊加態(tài)存儲(chǔ)的可行性,我們使用了9個(gè)OAM空間模式對(duì)存儲(chǔ)前后的量子態(tài)進(jìn)行量子層析測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：我們的存儲(chǔ)器可以很好地儲(chǔ)存三維疊加態(tài)。更進(jìn)一步地,我們考慮了兩個(gè)特殊的光子三維疊加態(tài)的存儲(chǔ)情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示存儲(chǔ)前后量子態(tài)能也能很好地保持。 3.實(shí)驗(yàn)研究基于二維軌道角動(dòng)量糾纏的量子存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)上,我們制備了兩個(gè)冷原子系綜,在其中一個(gè)冷原子系綜中采用自發(fā)拉曼過程制備了單光子與原子系綜之間的OAM糾纏。而后利用Raman存儲(chǔ)協(xié)議將該單光子存儲(chǔ)于另一個(gè)作為存儲(chǔ)介質(zhì)的冷原子系綜中,從而實(shí)現(xiàn)了OAM糾纏在兩個(gè)原子系綜之間的存儲(chǔ)。為了檢驗(yàn)糾纏特性,我們將原子系綜之間的糾纏轉(zhuǎn)移到光子之間。利用量子層析技術(shù)重構(gòu)了存儲(chǔ)前后糾纏態(tài)的密度矩陣,通過計(jì)算存儲(chǔ)保真度、驗(yàn)證雙光子CHSH不等式和檢驗(yàn)雙光子干涉可視度來表征糾纏程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明OAM糾纏可以被高保真地儲(chǔ)存。 4.開展存儲(chǔ)高維糾纏的實(shí)驗(yàn)研究。利用自發(fā)拉曼過程,在其中的一個(gè)原子團(tuán)中制備光子和原子系綜的高維OAM糾纏態(tài)。通過拉曼存儲(chǔ)協(xié)議在另外一個(gè)原子團(tuán)中存儲(chǔ)單光子,直接建立兩個(gè)原子系綜的高維糾纏。實(shí)驗(yàn)中,通過構(gòu)建高維糾纏的witness來驗(yàn)證存儲(chǔ)前后糾纏的維數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：在測(cè)量11個(gè)OAM模式的情況下,制備了8維的糾纏,存儲(chǔ)恢復(fù)出來還有7維糾纏。 5.實(shí)驗(yàn)研究了光子偏振糾纏的拉曼存儲(chǔ)。我們實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)存儲(chǔ)過程：1.存儲(chǔ)標(biāo)記單光子路徑和偏振的混合糾纏。2.光子偏振糾纏的拉曼存儲(chǔ)。第一個(gè)過程利用自發(fā)拉曼過程產(chǎn)生標(biāo)記單光子,通過相位不敏感的Sagnac干涉儀對(duì)光子進(jìn)行路徑和偏振的編碼,之后進(jìn)行量子存儲(chǔ)。第二個(gè)過程利用主動(dòng)鎖定的干涉儀制備光子偏振和原子系綜糾纏,再通過Sagnac干涉儀實(shí)現(xiàn)對(duì)任意光子偏振態(tài)的存儲(chǔ),建立兩個(gè)原子系綜的糾纏。最后通過量子層析技術(shù)測(cè)得密度矩陣,并計(jì)算出存儲(chǔ)保真度。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有： 1.在國際上首次實(shí)現(xiàn)了攜帶OAM及二維OAM疊加態(tài)的單光子量子存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：經(jīng)過螺旋相位片編碼的標(biāo)記單光子能夠在我們的存儲(chǔ)器中很好地被存儲(chǔ)和恢復(fù),而且空間相干性在存儲(chǔ)前后也能得到保持。我們的實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)了量子存儲(chǔ)領(lǐng)域里新的研究方向,給量子存儲(chǔ)提出了新的挑戰(zhàn)。 2.在國際上首次實(shí)現(xiàn)單光子高維態(tài)的量子存儲(chǔ),實(shí)驗(yàn)中單光子被編碼在三維OAM疊加態(tài)上。利用我們的存儲(chǔ)器,編碼在三維空間中的單光子能夠被很好的存儲(chǔ)和恢復(fù)。同時(shí),我們還探討了高OAM量子數(shù)的存儲(chǔ)情況,并得出結(jié)論：在存儲(chǔ)單光子更高維的量子態(tài)時(shí),我們需要考慮不同OAM存儲(chǔ)效率的不同影響。 3.在國際上首次完成二維OAM糾纏的量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)。通過自發(fā)拉曼過程制備OAM糾纏,并且利用拉曼存儲(chǔ)協(xié)議進(jìn)行存儲(chǔ),成功建立了兩個(gè)原子系綜的OAM糾纏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了基于OAM高維網(wǎng)絡(luò)的首個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),此項(xiàng)工作對(duì)未來實(shí)現(xiàn)高維量子網(wǎng)絡(luò)具有重大的實(shí)驗(yàn)參考價(jià)值。 4.在國際上首次實(shí)現(xiàn)高維OAM糾纏的量子存儲(chǔ)。第一次利用一個(gè)原子系綜制備OAM的高維糾纏態(tài),通過拉曼存儲(chǔ)協(xié)議對(duì)高維糾纏進(jìn)行量子存儲(chǔ),建立了兩個(gè)原子系綜的OAM高維糾纏。實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)8維的糾纏,恢復(fù)7維糾纏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了高維量子通訊的可行性。 5.在國際上首次利用拉曼存儲(chǔ)機(jī)制實(shí)現(xiàn)偏振糾纏態(tài)的量子存儲(chǔ)。我們完成了單光子偏振和路徑的混合糾纏的存儲(chǔ)以及兩光子偏振糾纏的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)偏振糾纏的拉曼存儲(chǔ)對(duì)未來基于光纖的高速量子通訊具有重大意義。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：O413.1;TP333
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
目錄
第1章 緒論
    1.1 量子通訊簡(jiǎn)介
    1.2 量子存儲(chǔ)簡(jiǎn)介
        1.2.1 衡量量子存儲(chǔ)的指標(biāo)
        1.2.2 存儲(chǔ)介質(zhì)以及量子存儲(chǔ)方案
        1.2.3 軌道角動(dòng)量光場(chǎng)存儲(chǔ)簡(jiǎn)介
    1.3 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第2章 單光子軌道角動(dòng)量和二維疊加態(tài)量子存儲(chǔ)
    2.1 研究背景
    2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第3章 單光子高維態(tài)的量子存儲(chǔ)
    3.1 研究高維態(tài)存儲(chǔ)的背景
    3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
        3.2.1 存儲(chǔ)前后的圖像成像
    參考文獻(xiàn)
第4章 二維軌道角動(dòng)量糾纏拉曼存儲(chǔ)
    4.1 研究背景
    4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第5章 高維糾纏態(tài)的拉曼存儲(chǔ)
    5.1 高維糾纏存儲(chǔ)的研究意義
    5.2 高維糾纏存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第6章 偏振糾纏的拉曼存儲(chǔ)
    6.1 拉曼存儲(chǔ)偏振糾纏的研究意義
    6.2 拉曼存儲(chǔ)偏振糾纏的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
        6.2.1 存儲(chǔ)偏振和路徑混合糾纏的單光子
        6.2.2 存儲(chǔ)光子偏振和原子線性角動(dòng)量糾纏
    6.3 存儲(chǔ)窄脈沖的單光子
    6.4 遠(yuǎn)失諧條件存儲(chǔ)單光子
    參考文獻(xiàn)
第7章 總結(jié)和展望
致謝
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2841568