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《南京大学》 2019年
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硅基芯片上的三维纠缠源

夏黎君  
【摘要】:纠缠是量子物理学的一个违反直觉的特征,是量子技术的核心。高维量子态具有独特的量子特性,并在某些量子信息和量子计算任务中较传统技术更有优势,例如量子通信传输信息容量更大,量子计算和量子模拟的并行能力更强等。光子作为信息的载体,具有自由度多、易集成,相干性好等优势,此外,光子在形成多体和多维的纠缠态上具有先天的优势。传统光路设备尺寸庞大,往往系统的相位稳定性个很大的挑战。而集成技术不仅能够缩小设备尺寸,做到小型化集成化多样化,还能够提供稳定的相位和理想的可扩展性。最近集成光子芯片已成为量子纠缠态的产生,操纵和检测的领先平台。在这些研究中,纠缠态被编码在各种模式上,诸如路径,频率等。特别是路径模式,由于概念简单清晰,已被运用于量子信息研究。我们报告了一种硅光子芯片,它使用新型干涉共振增强的光子对光源(DMZR),光谱波分复用器和高维可重构线路来生成,操纵和分析路径纠缠的三维纠缠态,即qutrits。通过优化片上电和热串扰,我们获得高于96.5%可见度的量子干涉,最大纠缠态保真度达到了95.5%。我们进一步探索纠缠的qutrits的基本属性来测试量子非局域性和互文性性。并实现了图论的量子模拟和高精度光学相位测量。我们的工作为多光子高维量子技术的发展铺平了道路。本论文主要的研究内容包括以下几个方面:(1)研究片上干涉共振增强谐振环的工作原理,我们通过传输矩阵与链式矩阵的方法计算了新型光源的透射谱,然后讨论并分析了它在什么情况下能够达到最优的工作状态,并将它与传统谐振环结构进行了比较,说明了它在作为片上集成纠缠光子对源的优越性。然后我们通过实验验证了这一推断,给出了实验上优化调节该种光源的方案,并计算有关参数,验证其能够有效的工作。(2)我们在理论上研究了在qubit情况下通过分离相干泵浦产生的关联光子对形成纠缠源的概念方案,然后给出了将其推广到高维情况下的实验方案和我们的芯片设计图。我们在理论上研究了qubit情况下,路径纠缠态和源全同性的关系,据此给出了在量子实验中优化该路径纠缠源的方法,指出了作为判断的参数指标;并在之后通过实验数据展示了整个流程,由此完成了最大纠缠态的制备工作。我们通过量子层析技术,对产生的量子态进行刻画,并得到较高的保真度。我们在这节中还展示了我们对于实验细节的把握,包括对片上电与热串扰的表征和控制技术等,为规模片上量子系统的表征提供解决方案。(3)在证明能够产生并精密操纵这样的高维纠缠源后,我们在实验完成了对高维bell不等式的测量,并证伪了局域隐变量模型;同时基于此高维纠缠态实现了无相容性漏洞的量子互文性验证。我们还将这个源用于验证图论的量子模拟实验的可行性,以及实验了用于量子高精度相位测量时,高于传统三路径干涉仪的相位测量的敏感度。
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