光纤通信波段非经典光场的制备及其在量子隐形传态中的应用

【摘要】：随着量子光学研究的深入及量子光学技术的发展,人们对非经典光场的产生及其在量子通信、量子精密测量、量子计算以及构建量子信息网络等领域的应用进行了广泛的探索,并取得显著进展。将光场量子态应用于量子信息和量子测量中是当前量子光学研究领域的热点内容。压缩态光场某一正交分量噪声低于相应的标准量子噪声极限,因而可以用于量子通信和量子精密测量,使信息容量和信噪比突破经典技术极限。纠缠态光场的两个子模之间具有强的量子非局域关联,这种决定性的量子纠缠为量子信息技术提供了基本资源,已被应用于量子隐形传态、量子纠缠交换、量子存储、量子计算、量子密钥分发以及量子密集编码等量子方案的实验研究中,并取得与理论预测相符合的结果。目前研究者们正力图将研究成果向实用化方向拓展。为构建实用化的量子信息网络,首先必须实现量子态的长距离传送。与自由空间相比,光纤通道具有能够抵抗外界环境噪声影响的优点,并且其本身具有均一、稳定的结构和性质,可以作为一种比较理想的实现光场量子态长距离传输的介质,因此与光纤低损耗传输窗口相匹配的1.3μm波段非经典光场,在未来的量子通信中具有广阔的应用前景,对其制备方案的实验研究具有重要意义。本人在攻读博士学位期间,主要进行了两方面的研究工作:首先通过理论分析,研究了1.3μm光纤低损耗传输窗口的非经典光场的产生条件并设计了实验系统,在光学参量放大器中,利用一块Ⅱ类匹配周期极化磷酸氧钛钾(periodically poled KTi OPO4,PPKTP)晶体,通过控制不同物理条件,经参量下转换分别完成了单模压缩态光场、Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)纠缠态光场以及强度差压缩态光场的实验制备;之后,利用实验制备的1.3μm波段EPR纠缠态光场,完成6公里光纤通道连续变量量子隐形传态。该工作为光纤中长距离连续变量量子态的隐形传送提供了可靠的实验依据与物理参考,所使用的方法可以用作未来连续变量量子通信网络的基本单元。本论文主要研究内容如下:1.讨论了Ⅱ类匹配周期极化晶体的相位匹配关系,分析了利用单个Ⅱ类匹配的PPKTP晶体制备单模压缩态光场、EPR纠缠态光场以及强度差压缩态光场的实验条件,为不同光场量子态的制备提供了有用参考。2.在同一个由单块Ⅱ类匹配PPKTP晶体构成的光学参量放大器中,通过改变泵浦光及注入种子光的偏振等物理条件,分别完成1.3μm单模压缩态光场、EPR纠缠态光场和强度差压缩态光场的实验制备。3.利用两个结构完全相同的简并光学参量放大器制备了两束单模压缩态光场,将它们在50:50分束器上耦合,获得纠缠态光场,然后利用光纤通道将纠缠态光场的两个子模分发给相隔6公里的通信双方,Alice和Bob,完成了6公里光纤通道确定性量子隐形传态的实验研究。主要创新点:1.分析了Ⅱ类匹配周期极化晶体的特殊相位匹配关系,得到利用单个Ⅱ类匹配PPKTP晶体制备单模压缩态光场、EPR纠缠态光场及强度差压缩态光场的实验条件。2.利用同一个由单块Ⅱ类匹配PPKTP晶体构成的光学参量放大器,分别实现了光纤通信波段单模压缩态光场、EPR纠缠态光场以及强度差压缩态光场的实验制备,为多功能非经典光源的设计提供了理论和实验参考。3.利用实验制备的1.3μm纠缠态光场,首次实验实现光纤通道长距离连续变量量子隐形传态,为构建量子隐形传态网络提供了设计依据。

【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O431.2;TN929.11