多色多組份糾纏及高階橫模糾纏態(tài)的研究.pdf

1、量子光學(xué)（quantum optics）是以量子力學(xué)的方法研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測(cè)及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。量子光學(xué)的理論研究已經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)，早在1900年普朗克提出了輻射場(chǎng)的量子論，成功地解釋了黑體輻射問題，1905年，愛因斯坦把量子論貫穿整個(gè)輻射和吸收過程，提出的光量子理論，圓滿解釋了光電效應(yīng)，并為后來的康普頓實(shí)驗(yàn)所證實(shí);解釋了普朗克黑體輻射公式，提出了光與原子相互作用時(shí)發(fā)生的三種物理過程，自發(fā)輻射，受激輻射，受激吸收。這些研究

2、為二十世紀(jì)六十年代激光的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。激光器能提供與普通熱光場(chǎng)有著本質(zhì)區(qū)別相干態(tài)光場(chǎng)為量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展開辟了新的道路。到今天，量子光學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究分別獲得了驚人的成績(jī)和長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是在非經(jīng)典光場(chǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用方面，是量子信息科學(xué)與技術(shù)的重要基礎(chǔ)與支撐。
　　一般來說，非經(jīng)典光場(chǎng)擁有經(jīng)典光場(chǎng)所沒有的量子特性，例如表現(xiàn)在噪聲和統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)等方面。例如壓縮態(tài)、糾纏態(tài)光場(chǎng)。壓縮糾纏態(tài)光場(chǎng)的噪聲能突破經(jīng)典光所能達(dá)到的極限、擁有熱光場(chǎng)

3、所沒有的量子關(guān)聯(lián)，可廣泛應(yīng)用于引力波探測(cè)，量子保密通訊等許多方面，是量子光學(xué)量子信息領(lǐng)域最重要、最基本的量子資源，也是量子光學(xué)領(lǐng)域熱門的研究方向之一。近些年隨著量子光學(xué)與量子信息的發(fā)展，空間量子光學(xué)與量子信息也取得了一系列重要進(jìn)展?？臻g壓縮糾纏態(tài)光場(chǎng)能提供空間上的量子關(guān)聯(lián)特性，不同于一般的基于TEM00模的糾纏態(tài)光場(chǎng)，僅僅是時(shí)間尺度上的量子糾纏。因此空間壓縮糾纏態(tài)光場(chǎng)在空間信息傳輸、超高精細(xì)度的測(cè)量、量子成像及圖像傳輸、量子全息術(shù)、無噪

4、聲圖像放大等方面有重要的應(yīng)用前景。
　　目前，壓縮糾纏態(tài)光場(chǎng)也是量子光學(xué)領(lǐng)域熱門的研究方向之一。
　　本文主要理論上研究了利用雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏態(tài)光場(chǎng);理論上設(shè)計(jì)構(gòu)造了周期極化晶體PPKTP產(chǎn)生銫原子吸收線和通訊波段的兩組份糾纏光;利用同時(shí)性準(zhǔn)相位匹配技術(shù)理論上實(shí)現(xiàn)含銣原子吸收線的三色糾纏;實(shí)驗(yàn)上使用簡(jiǎn)并的光學(xué)參量放大器產(chǎn)生TEM00模和TEM01模壓縮態(tài)光場(chǎng)以及TEM01模糾纏態(tài)光場(chǎng)。主要內(nèi)容分為以下五個(gè)部分:<

5、br>　　1)簡(jiǎn)要地從量子力學(xué)和量子光學(xué)的聯(lián)系及各自的發(fā)展做了回顧。介紹了兩類非經(jīng)典光場(chǎng)，基于TEM00模的壓縮態(tài)和糾纏態(tài)光場(chǎng)和基于高階橫模的空間壓縮態(tài)和空間糾纏態(tài)光場(chǎng)，并介紹了上述光場(chǎng)的量子特性及應(yīng)用。
　　2)對(duì)二階非線性材料的雙折射相位匹配和準(zhǔn)相位匹配做了簡(jiǎn)要介紹，研究計(jì)算了實(shí)驗(yàn)中所用的532-1064nmPPKTP晶體準(zhǔn)相位匹配的周期結(jié)構(gòu)及下轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)與匹配溫度的關(guān)系;理論上從量子郎之萬方程出發(fā)計(jì)算了通過簡(jiǎn)并的光學(xué)參量放大器

6、產(chǎn)生的壓縮態(tài)光場(chǎng)的經(jīng)典和量子噪聲特性，簡(jiǎn)要介紹了利用分束器耦合兩束正交振幅壓縮態(tài)光場(chǎng)產(chǎn)生糾纏態(tài)光場(chǎng)的方案。
　　3)理論上研究了利用雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏態(tài)光場(chǎng)，給出了從腔的兩個(gè)輸出耦合鏡產(chǎn)生的兩束倍頻光的量子糾纏特性以及兩束倍頻場(chǎng)和反射基頻場(chǎng)的三組分糾纏，分別使用van Loock和Furusawa提出的連續(xù)變量三組分糾纏的不可分性充分判據(jù)和部分轉(zhuǎn)置矩陣的最小本征值判據(jù)分析了三個(gè)光場(chǎng)的糾纏特性。
　　4)理論設(shè)計(jì)和構(gòu)

7、造了單周期極化晶體PPKTP。550nm泵浦內(nèi)置PPKTP的光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生852.37nm和1550.42nm的雙色糾纏光，糾纏光的波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)銫原子吸收線和通訊波長(zhǎng);理論研究了利用兩個(gè)光學(xué)參量過程在同一周期中同時(shí)性準(zhǔn)相位匹配技術(shù)構(gòu)造周期極化晶體產(chǎn)生銣原子吸收線的多色三組份糾纏。介紹了在同一個(gè)周期內(nèi)如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的光學(xué)參量過程同時(shí)滿足準(zhǔn)相位匹配。
　　5)從理論和實(shí)驗(yàn)上簡(jiǎn)要介紹了高階厄米高斯橫模的產(chǎn)生機(jī)理及實(shí)驗(yàn)上一般采用的產(chǎn)

8、生方法。實(shí)驗(yàn)上利用光學(xué)參量放大器產(chǎn)生壓縮度為2.8 dB的TEM00模和2.2dB的TEM01模的壓縮態(tài)光場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)上利用兩束TEM01模的壓縮態(tài)光場(chǎng)通過分束器耦合產(chǎn)生TEM01模的糾纏光場(chǎng)，測(cè)得正交振幅之和噪聲低于散粒噪聲基準(zhǔn)1.5dB，正交位相之差低于散粒噪聲基準(zhǔn)1.2dB。
　　攻讀博士期間所做的工作中，具有創(chuàng)新點(diǎn)的有以下幾部分:
　　1.理論上提出通過雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏，并用部分轉(zhuǎn)置矩陣本征值方法對(duì)其進(jìn)行判定