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基于新型高亮度纠缠源的多光子量子信息处理实验研究

彭亮  
【摘要】:20世纪初期,量子力学从它诞生开始,就存在着不同的理解和许多争论。随着科学家们研究深入,人们对量子力学的认识更加深刻和确信。20世纪90年代,量子力学与蓬勃发展的信息科学相结合,将信息科学带入了一个新天地。量子信息科学主要包括量子通信和量子计算,而量子信息科学的基础则是量子态的制备、变换、传输、存储以及测量。科学家们发现很多系统可以用作研究量子信息科学的平台,较常见的有:光学体系、量子点(Quantum Dot)、核磁共振体系(NMR)、腔电动力学体系(Cavity QED)和原子系综等。光学体系与其它体系相比,技术发展相对全面,而且光子具有环境消相干作用小,易于操纵等优点。首先,光纤网络是现代通信的基础,光子是天然的飞行比特,因此量子通信的研究基本都在光学体系中进行;其次,2001年Knill,Laflamme和Milburn三人在自然杂志发表的一篇论文证明了线性光学方法实现大规模量子计算的可能性,大大推动了光学体系在量子计算方面的研究。 双光子量子纠缠体系是目前最简单也是技术较为成熟的量子纠缠体系。人们通常通过非线性晶体的自发参量下转换来制备它。以此为基础,人们可以进一步开展多光子纠缠态的制备和操纵研究,从而为实验实现需要多个量子比特的量子信息处理任务提供一个好的实验研究平台。本论文从改进双光子纠缠源亮度、效率、品质等工作开始,进一步完成了八光子纠缠态制备及操纵、纠缠退相干导致的自发对称破缺以及纠缠突然死亡现象的“largeness”效应演示等一系列实验工作。 I、八光子通信复杂度实验 在量子力学中多粒子纠缠态是个很重要的问题。随着对量子力学的深入了解人们发现,少体系统和多体系统有着不同的特性,科学家们急需多维系统的“原材料”来进行实验的验证和探究。因此,能否制备多粒子纠缠态对于量子力学的发展起着非常重要的作用。在信息科学、计算机科学和量子力学高度交融的今天,多粒子纠缠态对量子网络,量子计算的深入研究有着非同一般的意义。2005年H. Haffner实验小组成功的在离子阱中制备了八粒子纠缠态。这是人类迄今为止做出来的粒子数最多的纠缠态。遗憾的是,在光子体系中,由于目前用于制备多光子纠缠态的最重要技术---自发参量下转换技术中存在的种种限制,多光子纠缠态的制备随着粒子数的增加变得十分困难。在我们之前,人们最多只能够制备六光子纠缠态。我们成功的在非常低的泵浦功率(400mw)下制备出了世界上第一个八光子GHZ型纠缠态,并且我们利用所制备的八光子GHZ型纠缠态完成了八方量子通信复杂度实验演示。 II、对量子退相干过程中的自发对称破缺的研究 复杂量子体系是十分脆弱的,这一特点使得在现实生活中量子系统不可避免的会被现实生活中的外界环境所干扰。这种干扰已经成为了实现较大系统内量子信息方案最大的阻碍。我们将量子系统与环境相互作用最后量子系统中纠缠特性被破坏的这个过程称作“退相干”(decoherence)。退相干现象对量子信息研究领域十分重要,在某些时候能够为我们对量子力学本质的深入理解带来新的视角。2009年Karpat和Gedik等人研究了交换对称性的退相干模型(exchange-symmetric decoherencing model)和贝尔态在其中随着时间演化过程中的交换对称性。我们在实验上对这个现象进行了验证。我们的结果表明理论结果表明不是有所有具有交换对称性质的三个贝尔态都能在时间演化中保持交换对称性。贝尔态即使在具有交换对称性的退相干模型的哈密顿量中发生时间演化,其对称破缺性仍然会被破坏。 III、有关“Largeness”的实验 量子力学中最为本质的现象就是量子关联。但是不可避免的退相干过程却破坏了这种关联,从而使得量子关联在我们的经典世界中不可见。在这样的“量子到经典”的转变中,largeness扮演了十分重要的角色。我们在实验里利用两体纠缠态在退极化信道中发生的退相干过程,观察到了largeness的现象。我们的结果表明纠缠退相干的速度取决于系统暴露于环境噪声中的大小。


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