糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生、收集、干涉與應(yīng)用.pdf

1、二十世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的量子力學(xué)是繼相對(duì)論之后人們對(duì)客觀物質(zhì)世界的本質(zhì)認(rèn)識(shí)的一大進(jìn)步。而量子信息學(xué)則將信息學(xué)和量子力學(xué)成功地結(jié)合起來(lái)，考慮在量子效應(yīng)明顯的各種信息處理系統(tǒng)中的各種問(wèn)題，從而將信息科學(xué)的發(fā)展帶入了一個(gè)新天地。在量子信息學(xué)中，信息的存儲(chǔ)、表示、提取都離不開(kāi)量子態(tài)(量子力學(xué)用于描述物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)工具)及其演化過(guò)程。而量子糾纏態(tài)無(wú)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(xué)的兩大主要領(lǐng)域—量子通信和量子計(jì)算中都有著廣泛

2、而重要的應(yīng)用；另外，對(duì)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(xué)的觀點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)技術(shù)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(jiǎn)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(guò)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生光子糾纏對(duì)具有產(chǎn)生效率高、容易操縱等優(yōu)點(diǎn)，在量子操控技術(shù)的發(fā)展中具有巨大的應(yīng)用前景。這也是本人將糾纏光子對(duì)的制備、收集、干涉與應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究作為博士論文的主要原因。本人在實(shí)驗(yàn)和理論上主要取得了以下主要成果： Ⅰ.高亮度糾纏光子對(duì)的獲得目前，如何利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)獲得更高亮度的糾纏光子對(duì)已經(jīng)成為量子信息科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。無(wú)論是對(duì)于Ⅰ型與Ⅱ型的位相匹配，

4、還是準(zhǔn)位相匹配，均已有許多不同的理論模型與實(shí)驗(yàn)方案被提出，我們結(jié)合已有的理論模型與自己的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，制備出了接近國(guó)際領(lǐng)先水平的高亮度的糾纏光子對(duì)。這種糾纏源的獲得為我們下一步進(jìn)行量子通信、多光子糾纏操縱等方面的實(shí)驗(yàn)提供了必不可少的條件。 Ⅱ.高干涉可見(jiàn)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(diǎn)，在量子信息及其相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，也是糾纏純化、糾纏濃縮、

5、量子隱形傳送、Bell基測(cè)量等各類實(shí)驗(yàn)中必不可少的裝置。我們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摸索與經(jīng)驗(yàn)積累，大大提高了搭建HOM干涉儀的技術(shù)水平。無(wú)論是使用脈沖激光還是連續(xù)激光，對(duì)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(jiàn)度均可大于95％。HOM干涉技術(shù)的提高為我們下面的實(shí)驗(yàn)順利開(kāi)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 Ⅲ.雙光子干涉的“Whichway”實(shí)驗(yàn)”Whichway”實(shí)驗(yàn)是研究實(shí)施測(cè)量會(huì)對(duì)干涉產(chǎn)生何種影響一類實(shí)驗(yàn)，也是量子力學(xué)領(lǐng)域經(jīng)久不衰的

6、一個(gè)研究課題。不過(guò)目前現(xiàn)有的所有這方面的實(shí)驗(yàn)，所研究的對(duì)象均是單粒子，我們提出了雙光子的“Whichway”實(shí)驗(yàn)這一概念，設(shè)計(jì)出一套方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。我們的方案主要建立在HOM干涉的基礎(chǔ)之上，使用偏振自由度標(biāo)記光子，進(jìn)而來(lái)區(qū)分雙光子同時(shí)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(jiàn)度成互補(bǔ)關(guān)系的結(jié)論。即當(dāng)上面兩種事件完全不可區(qū)分時(shí)，干涉可見(jiàn)度最大；當(dāng)部分可以區(qū)分時(shí)，干涉可

7、見(jiàn)度降低；當(dāng)兩事件完全可以區(qū)分時(shí)，干涉現(xiàn)象消失。另外我們的實(shí)驗(yàn)具有簡(jiǎn)單、容易操作等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)更加深入地研究量子力學(xué)的一些基本性質(zhì)具有一定促進(jìn)作用。 Ⅳ.QUTRIT態(tài)的制備與測(cè)量隨著量子信息學(xué)科的日益發(fā)展，對(duì)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(gè)方面提出了更多、更高的要求。這些要求激發(fā)了人們對(duì)多能級(jí)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(chǎng)上的qutrit態(tài)的概念與構(gòu)想。我們?cè)谀壳耙延蟹桨傅幕A(chǔ)之上

8、，提出一種更為簡(jiǎn)便的qutrit態(tài)的制備方案，并進(jìn)行了態(tài)的tomography測(cè)量，得到了較高的保真度。由于我們的實(shí)驗(yàn)方案具有穩(wěn)定性好、簡(jiǎn)單、容易操作等優(yōu)點(diǎn)，因而使得這種qutrit態(tài)在量子密鑰的實(shí)際應(yīng)用成為可能。 Ⅴ.單光子到達(dá)時(shí)間的弱測(cè)量實(shí)驗(yàn)弱測(cè)量的概念自從上世紀(jì)八十年代被提出以后，就一直受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。因?yàn)樗坏梢援a(chǎn)生某些奇異的現(xiàn)象，而且在量子力學(xué)各個(gè)方面都具有重要應(yīng)用。在我們的實(shí)驗(yàn)完成以前，現(xiàn)有的弱測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(duì)單光子到達(dá)時(shí)間的弱測(cè)量方案，并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。我們的實(shí)驗(yàn)裝置以HOM干涉儀為基礎(chǔ)，在干涉儀的一臂上，通過(guò)兩塊偏振片進(jìn)行適當(dāng)?shù)那斑x擇與后選擇測(cè)量，將由一塊石英片引起的單光子到達(dá)時(shí)間的延遲進(jìn)行數(shù)倍”放大”；而干涉儀的另外一臂充當(dāng)參照系的作用；由于參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子對(duì)具有高度的同時(shí)性，”放大”后的弱值就可以由HOM干涉曲線的中心位移標(biāo)示出來(lái)；最后，我們還分析、討論了產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)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(duì)弱測(cè)量理論正確性進(jìn)行原則上的驗(yàn)證。我們所使用的量子的方法對(duì)弱測(cè)量理論與實(shí)驗(yàn)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。 Ⅵ.任意子四階干涉現(xiàn)象的模擬實(shí)驗(yàn)任意子是一種不同于普通玻色子或費(fèi)米子的特殊粒子，這種粒子具有分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)的性質(zhì)，它們?cè)谙嗷ソ粨Q位置后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)任意位相，而不是通常的0或π；其自身具有的一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得它們對(duì)外界環(huán)境的相消干具有很強(qiáng)的魯棒性，這種魯棒性在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算中十分有用，因此受到