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产生连续变量纠缠的理论研究

马永红  
【摘要】: 随着人们对微观世界更加全面的认识以及对信息处理需求的日益增长,量子信息学应运而生。作为量子力学和信息学的交叉学科,量子信息的诞生丰富了量子力学,并且呈现了与经典信息截然不同的新面貌。纠缠是量子信息赖以生存的基础,是量子信息的重要资源。有关连续变量纠缠态的制备及其在量子信息处理中的应用是量子光学和量子信息科学的前沿研究领域,这不仅是因为对于连续变量纠缠态性质的研究可以用于验证量子力学的基本原理,而且还由于连续变量纠缠态是量子信息处理的基本资源。连续变量纠缠光在构造量子网络的方案中可作为信息的存储器。另外,连续变量纠缠由于其具有无穷多的自由度,将会比单个比特具有更大的存储能力。无论是哪一种方案,产生高强度纠缠光都十分必要。 本文理论上研究如何制备出抗环境干扰能力强、稳定的、高纠缠度的纠缠源。论文总共包括十章,其中我们的主要工作是第三章到第十章。第一章中我们介绍了量子信息的发展并引进纠缠的概念,重点介绍了连续变量纠缠,并给出本文主要研究的内容。第二章中我们首先给出了原子与场相互作用的一些基础知识:场的量子化;原子与场相互作用的哈密顿量形式;Weisskopf-Wigner近似理论,然后定义了压缩态并给出常用的连续变量纠缠的一些度量方法,最后给出量子关联函数的概念。 第三章,我们考虑了△-型原子系统中两光子关联函数,结果发现此光子束有反聚束行为;另外我们也发现二阶关联函数可以通过经典外场来控制,也就是说,我们可以通过外场来控制联合探测几率幅。 第四章,我们考虑了自由空间中三能级原子,通过量子熵我们研究了自发辐射光子和原子的纠缠,最后利用连续变量纠缠的判据证明了自发辐射光子之间有短暂的纠缠。 第五章,我们研究了四能级原子与参量振荡器的相互作用,并讨论了此系统中纠缠光的产生和随时间的演化。利用Duan判据考虑了两腔模的纠缠特性。结果表明:参量振荡器能使产生纠缠的时间范围和平均光子数提高。 第六章,我们考虑把三能级原子注入双模腔中以产生纠缠的三能级级联激光;我们研究了两模的纠缠、压缩以及平均光子数的时间演化以及他们的稳态解;最后我们也研究了反馈循环对纠缠、压缩以及光子数的影响。有反馈循环的情况下,我们发现两模纠缠、压缩以及平均光子数均被提高。 第七章,我们研究了双Λ-型原子系统中产生的纠缠,分析了在双A-型原子系统中产生纠缠的条件以及纠缠标准的选择。结果表明两模场是纠缠和放大的。 第八章,在半导体微腔系统中我们引进一个二能级原子,并讨论了在外场驱动下的微腔中的二能级原子和激子模。我们研究了腔和激子间的二阶关联函数和连续变量纠缠。结论表明:此系统能产生稳态的非经典(反聚束)效应以及宏观纠缠,更重要的是,二能级原子能用来控制连续变量纠缠的产生。 第九章,我们考虑了一个在经典泵浦场作用下的微波腔中的量子阱,并用线性波动分析的方法讨论了单模压缩谱,以及腔和激子之间的连续变量纠缠。我们表明:一方面,对应于不同的非线性体可通过调节正交幅角来实现最大压缩;另一方面,通过调节泵浦场的频率以及改变非线性系数可以产生连续变量纠缠。 第十章,我们提出一种在量子节点产生纠缠态的方案,这种方案中保真度不受噪音通道的影响。我们也给出了利用此方案怎样完成量子通讯,并把其推广到N节点的纠缠。 论文的最后,给出了全文的总结和展望。


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