糾纏光子對的產(chǎn)生、收集、干涉與應用.pdf

1、二十世紀初發(fā)展起來的量子力學是繼相對論之后人們對客觀物質(zhì)世界的本質(zhì)認識的一大進步。而量子信息學則將信息學和量子力學成功地結(jié)合起來，考慮在量子效應明顯的各種信息處理系統(tǒng)中的各種問題，從而將信息科學的發(fā)展帶入了一個新天地。在量子信息學中，信息的存儲、表示、提取都離不開量子態(tài)(量子力學用于描述物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)學工具)及其演化過程。而量子糾纏態(tài)無疑是各種各樣的量子態(tài)中最為重要的一類了，它在量子信息學的兩大主要領域—量子通信和量子計算中都有著廣泛

2、而重要的應用；另外，對于量子糾纏態(tài)性質(zhì)的研究也使得我們可以更深刻地理解量子力學的觀點。實驗上量子糾纏的產(chǎn)生有很多種方法，例如在腔QED、離子阱、核磁共振(NMR)系統(tǒng)、半導體材料、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換等系統(tǒng)中都已經(jīng)制備出了量子糾纏態(tài)，這些糾纏態(tài)有原子之間的糾纏，離子之間的糾纏，也有電荷之間的糾纏，而在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中則是光子之間的糾纏。由于實驗技術的限制，這些方法都有種種缺陷與不完善。相比之下，參量下轉(zhuǎn)換的方法是最為簡單易行的方法，也是人

3、們最為常用的一種方法。利用晶體的非線性性質(zhì)，通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生光子糾纏對具有產(chǎn)生效率高、容易操縱等優(yōu)點，在量子操控技術的發(fā)展中具有巨大的應用前景。這也是本人將糾纏光子對的制備、收集、干涉與應用的實驗研究作為博士論文的主要原因。本人在實驗和理論上主要取得了以下主要成果： Ⅰ.高亮度糾纏光子對的獲得目前，如何利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術獲得更高亮度的糾纏光子對已經(jīng)成為量子信息科學領域一個亟待解決的問題。無論是對于Ⅰ型與Ⅱ型的位相匹配，

4、還是準位相匹配，均已有許多不同的理論模型與實驗方案被提出，我們結(jié)合已有的理論模型與自己的實驗經(jīng)驗，制備出了接近國際領先水平的高亮度的糾纏光子對。這種糾纏源的獲得為我們下一步進行量子通信、多光子糾纏操縱等方面的實驗提供了必不可少的條件。 Ⅱ.高干涉可見度的HONG-OU-MANDEL干涉Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉儀由于具有穩(wěn)定性好、偶階色散取消等各種優(yōu)點，在量子信息及其相關領域具有廣泛應用，也是糾纏純化、糾纏濃縮、

5、量子隱形傳送、Bell基測量等各類實驗中必不可少的裝置。我們經(jīng)過長時間的摸索與經(jīng)驗積累，大大提高了搭建HOM干涉儀的技術水平。無論是使用脈沖激光還是連續(xù)激光，對于Ⅰ型或Ⅱ型參量下轉(zhuǎn)換，我們搭建的HOM干涉儀的干涉可見度均可大于95％。HOM干涉技術的提高為我們下面的實驗順利開展提供了堅實的基礎。 Ⅲ.雙光子干涉的“Whichway”實驗”Whichway”實驗是研究實施測量會對干涉產(chǎn)生何種影響一類實驗，也是量子力學領域經(jīng)久不衰的

6、一個研究課題。不過目前現(xiàn)有的所有這方面的實驗，所研究的對象均是單粒子，我們提出了雙光子的“Whichway”實驗這一概念，設計出一套方案并進行了實驗驗證。我們的方案主要建立在HOM干涉的基礎之上，使用偏振自由度標記光子，進而來區(qū)分雙光子同時發(fā)生反射-反射(R-R)事件與透射-透射(T-T)事件，得出R-R事件和T-T事件的可區(qū)分性與雙光子干涉可見度成互補關系的結(jié)論。即當上面兩種事件完全不可區(qū)分時，干涉可見度最大；當部分可以區(qū)分時，干涉可

7、見度降低；當兩事件完全可以區(qū)分時，干涉現(xiàn)象消失。另外我們的實驗具有簡單、容易操作等優(yōu)點，對更加深入地研究量子力學的一些基本性質(zhì)具有一定促進作用。 Ⅳ.QUTRIT態(tài)的制備與測量隨著量子信息學科的日益發(fā)展，對量子密集編碼的效率、量子密鑰分配協(xié)議的安全性等各個方面提出了更多、更高的要求。這些要求激發(fā)了人們對多能級量子系統(tǒng)的研究興趣。最近有人提出了一種建立在單模、雙光子偏振場上的qutrit態(tài)的概念與構(gòu)想。我們在目前已有方案的基礎之上

8、，提出一種更為簡便的qutrit態(tài)的制備方案，并進行了態(tài)的tomography測量，得到了較高的保真度。由于我們的實驗方案具有穩(wěn)定性好、簡單、容易操作等優(yōu)點，因而使得這種qutrit態(tài)在量子密鑰的實際應用成為可能。 Ⅴ.單光子到達時間的弱測量實驗弱測量的概念自從上世紀八十年代被提出以后，就一直受到科學家們的廣泛關注。因為它不但可以產(chǎn)生某些奇異的現(xiàn)象，而且在量子力學各個方面都具有重要應用。在我們的實驗完成以前，現(xiàn)有的弱測量實驗所使

9、用的大都是經(jīng)典的方法，而我們小組根據(jù)已有的理論提出了對單光子到達時間的弱測量方案，并進行了實際驗證。我們的實驗裝置以HOM干涉儀為基礎，在干涉儀的一臂上，通過兩塊偏振片進行適當?shù)那斑x擇與后選擇測量，將由一塊石英片引起的單光子到達時間的延遲進行數(shù)倍”放大”；而干涉儀的另外一臂充當參照系的作用；由于參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子對具有高度的同時性，”放大”后的弱值就可以由HOM干涉曲線的中心位移標示出來；最后，我們還分析、討論了產(chǎn)生實驗誤差的原因。盡

10、管我們所使用石英片的厚度不夠理想，但是這并不影響對弱測量理論正確性進行原則上的驗證。我們所使用的量子的方法對弱測量理論與實驗的發(fā)展具有積極的推動作用。 Ⅵ.任意子四階干涉現(xiàn)象的模擬實驗任意子是一種不同于普通玻色子或費米子的特殊粒子，這種粒子具有分數(shù)統(tǒng)計的性質(zhì)，它們在相互交換位置后會產(chǎn)生一個任意位相，而不是通常的0或π；其自身具有的一些拓撲結(jié)構(gòu)使得它們對外界環(huán)境的相消干具有很強的魯棒性，這種魯棒性在實現(xiàn)量子計算中十分有用，因此受到