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基于原子系综的宽带高维量子存储的实验研究

丁冬生  
【摘要】:自上个世纪以来,量子力学和信息科学产生了一个交叉学科:量子信息科学。在这个领域中,量子通讯可以实现绝对安全的信息传递,正在成为各个国家激烈竞争的下一代安全通信体系的焦点,并极有可能对人类社会的经济发展产生极为深远的影响。经典通讯中,信息以直接放大的中继方式进行远距离传输;量子通讯则需要利用量子存储和纠缠交换技术实现量子信息的远距离中继传输。所以,量子存储器作为一个关键的量子逻辑器件实现信息的储存和释放,实现量子存储是量子计算和量子网络通讯的关键技术之一,它直接影响量子通讯的可行性。如何通过提高存储器的容量和速率来高效地进行量子通讯成为目前的热点和难点问题。在提高量子存储容量方面,基于轨道角动量(OAM)的光场的量子存储能够显著提升量子网络的信息容量,对构建高容量信息网络具有重大意义;在高速率的量子存储方面,拉曼存储方案具备存储大带宽光子的潜力,对实现高速量子网络至关重要;所以本论文主要以实现高速、高容量的量子存储为目标开展实验研究,重点在于实验研究轨道角动量存储、基于拉曼协议的存储等等。本论文的工作对于未来实现高容量、高速的量子通讯具有非常前景的研究意义。 本论文主要有以下几部分内容: 1.实验研究携带图像信息的单光子的量子存储。通过激光冷却技术制备了两个冷原子系综,利用其中一个冷原子系综自发拉曼过程制备标记单光子,并利用螺旋相位片使该光子携带OAM,并具有特殊的空间结构。然后利用电磁诱导透明(EIT)存储方案实现对OAM以及它的叠加态在另外一个原子系综的量子存储,结果证明单光子携带的OAM及其叠加态都可以被高保真地保存。 2.探索存储高维量子态的实验研究。在实现存储携带OAM的单光子的基础上,使用空间光调制器实现对输入光子高维编码,再利用空间光调制器和单模光纤对存储恢复出来的光子进行投影测量,如此便实现了对单光子高维态的编码、存储以及测量的全过程。为了验证单光子三维叠加态存储的可行性,我们使用了9个OAM空间模式对存储前后的量子态进行量子层析测量,实验结果得出:我们的存储器可以很好地储存三维叠加态。更进一步地,我们考虑了两个特殊的光子三维叠加态的存储情况,实验结果显示存储前后量子态能也能很好地保持。 3.实验研究基于二维轨道角动量纠缠的量子存储。实验上,我们制备了两个冷原子系综,在其中一个冷原子系综中采用自发拉曼过程制备了单光子与原子系综之间的OAM纠缠。而后利用Raman存储协议将该单光子存储于另一个作为存储介质的冷原子系综中,从而实现了OAM纠缠在两个原子系综之间的存储。为了检验纠缠特性,我们将原子系综之间的纠缠转移到光子之间。利用量子层析技术重构了存储前后纠缠态的密度矩阵,通过计算存储保真度、验证双光子CHSH不等式和检验双光子干涉可视度来表征纠缠程度。实验结果清晰地表明OAM纠缠可以被高保真地储存。 4.开展存储高维纠缠的实验研究。利用自发拉曼过程,在其中的一个原子团中制备光子和原子系综的高维OAM纠缠态。通过拉曼存储协议在另外一个原子团中存储单光子,直接建立两个原子系综的高维纠缠。实验中,通过构建高维纠缠的witness来验证存储前后纠缠的维数,实验结果得出:在测量11个OAM模式的情况下,制备了8维的纠缠,存储恢复出来还有7维纠缠。 5.实验研究了光子偏振纠缠的拉曼存储。我们实现了两个存储过程:1.存储标记单光子路径和偏振的混合纠缠。2.光子偏振纠缠的拉曼存储。第一个过程利用自发拉曼过程产生标记单光子,通过相位不敏感的Sagnac干涉仪对光子进行路径和偏振的编码,之后进行量子存储。第二个过程利用主动锁定的干涉仪制备光子偏振和原子系综纠缠,再通过Sagnac干涉仪实现对任意光子偏振态的存储,建立两个原子系综的纠缠。最后通过量子层析技术测得密度矩阵,并计算出存储保真度。 本论文的主要创新点有: 1.在国际上首次实现了携带OAM及二维OAM叠加态的单光子量子存储。实验结果显示:经过螺旋相位片编码的标记单光子能够在我们的存储器中很好地被存储和恢复,而且空间相干性在存储前后也能得到保持。我们的实验开创了量子存储领域里新的研究方向,给量子存储提出了新的挑战。 2.在国际上首次实现单光子高维态的量子存储,实验中单光子被编码在三维OAM叠加态上。利用我们的存储器,编码在三维空间中的单光子能够被很好的存储和恢复。同时,我们还探讨了高OAM量子数的存储情况,并得出结论:在存储单光子更高维的量子态时,我们需要考虑不同OAM存储效率的不同影响。 3.在国际上首次完成二维OAM纠缠的量子存储实验。通过自发拉曼过程制备OAM纠缠,并且利用拉曼存储协议进行存储,成功建立了两个原子系综的OAM纠缠。实验结果展示了基于OAM高维网络的首个网络节点,此项工作对未来实现高维量子网络具有重大的实验参考价值。 4.在国际上首次实现高维OAM纠缠的量子存储。第一次利用一个原子系综制备OAM的高维纠缠态,通过拉曼存储协议对高维纠缠进行量子存储,建立了两个原子系综的OAM高维纠缠。实验成功实现存储8维的纠缠,恢复7维纠缠。实验结果证明了高维量子通讯的可行性。 5.在国际上首次利用拉曼存储机制实现偏振纠缠态的量子存储。我们完成了单光子偏振和路径的混合纠缠的存储以及两光子偏振纠缠的存储实验。实现偏振纠缠的拉曼存储对未来基于光纤的高速量子通讯具有重大意义。


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