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基于线性光学的量子信息应用研究

许小冶  
【摘要】:由于线性光学系统具有独特的优势,包括:绝大多数操作都可以在室温下完成;光子很难与环境发生相互作用,其相干性非常好,是最早用于量子计算和量子通信的实验系统之一。量子测量不仅仅是量子力学的基本公设之一,在量子信息领域,量子测量同样扮演着重要角色。一方面,量子测量联系着从量子世界向经典世界的过渡,在理论上和实验上对它的探索从未停止过。另一方面,量子测量也被作为一种技术开发和利用。如在线性光学量子计算框架中,就有基于测量和后选择引入光子非线性的方案。另外,最近几年产生于上世纪八十年的量子弱测量理论作为一种技术越来越受到人们重视,不仅被用于研究量子力学基础问题的探索,还被用来直接测量单光子波函数和光子自旋Hall效应,更多地被作为一种微弱信号探测技术广泛应用。因此,作者首先基于线性光学系统,完成了关于量子测量的几个演示性实验,包括基础层面和应用层面。除此之外,作者还在线性光学中完成了真正意义上的量子模拟,探索了Landau-Zener动力学模型中的Kibble-Zurek机制。本论文所取得的主要研究成果如下: 1、我们在理论上提出测量可以导致量子纠缠恢复,并利用光子的频率自由度模拟环境,在实验上演示了测量导致纠缠恢复的过程。 我们首次在实验上演示了通过量子测量恢复消位相环境下耗散的纠缠。通过两次测量,可以在一定程度上恢复耗散掉的纠缠。通过比较不同演化阶段的纠缠度,直观地给出了纠缠的耗散和恢复过程。我们更指出,即便在纠缠突然死亡后,通过测量可以使纠缠重生。同时,我们验证了通过测量恢复的纠缠态同样具有非局域性。我们的结果可以应用于对抗量子通信中的位相消相干。 2、我们提出可以用内在稳定的错位式Sagnac型干涉环实现部分坍缩测量和恢复操作,继而首次在实验上验证了部分坍缩测量和恢复操作的非局域性验证。 我们实验中所采用的部分坍缩测量方案可以实现对部分坍缩强度的在全范围内连续可调,利用内在稳定的高干涉可见度偏振依赖的错位式Sagnac型干涉环完成了部分坍缩测量和恢复操作的非局域性验证。我们的实验结果对量子通信和量子纠错具有重要借鉴意义。 3、我们在理论上基于量子弱测量提出利用白光源完成精密相位估计的设想,进一步指出虚部弱值可以通过弱测量演化过程本身引入,降低实验难度。接着我们利用商业化的LED光源完成了该方案的演示。 首先,我们在理论上改进了最原始的利用弱测量进行相位估计的方案,指出利用频率域分析的方法可以避免对光源的苛刻要求,提出可以利用商业化的白光源即可实现。我们的方案是色散不敏感的,实验结果并不依赖于Fourier变换。接着我们为了完成实验演示,在理论上指出,虚数弱值的引入并不是必须特殊设计预选态和后选态,弱测量演化本身就会引入虚数的弱值,从而在实验上避免了对宽光谱进行圆偏振态的制备。然后我们利用商业化的LED光源完成了相关的实验演示,测量到了阿秒量级的纵向相位变化。 4、我们在线性光学中模拟了Landau-Zener动力学演化,首次完成了真正意义上的线性光学量子模拟,并定量研究了非平衡动力学过程中的Kibble-Zurek机制。 我们首先在实验上基于错位式Sagnac型干涉环构建了九级偏振依赖的干涉仪,且整体干涉可见度高达0.975±0.008。接着我们利用该装置首次完成了真正意义上的线性光学量子模拟实验,观察了Landau-Zener动力学演化过程。接着通过调节系统哈密顿量,观察不同淬火条件下,平衡向非平衡动力学的过渡,首次实验上在量子非平衡动力学过程中定量研究了Kibble-Zuriek机制。


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