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纠缠光子的制备和应用

牛孝灵  
【摘要】: 量子信息科学是量子力学和信息科学结合的产物,自上世纪末出现以来,就吸引了众多物理学者的目光.在量子信息学中,量子纠缠无疑是其区别于经典信息学的重要特征之一,是量子信息过程中不可或缺的资源,在量子密码术、量子通信、量子计算中都起到非常重要的作用. 光量子信息处理方法作为一种量子信息处理方法,因纠缠光子的易制备和易操控的优点而广为人们所使用.然而,随着量子信息理论的发展,人们所关注的对象从两量子比特发展到多量子比特,相应的,光量子信息处理的领域也从双光子发展到多光子.本博士论文从制备适用于多光子量子信息处理实验的飞秒脉冲泵浦高亮度双光子纠缠源开始,主要完成了光子纠缠态制备、度量、干涉等以下几个工作: 1.自发参量下转换过程制备高亮度的偏振纠缠光子源纠缠光子对是光学量子信息处理过程中最为重要的资源,而高亮度的纠缠光子则是多量子比特光学量子信息处理过程中必不可少的.我们在实验上利用Beam-like方法制备出了双光子偏振纠缠态,其亮度大约是同行在同等泵浦条件下的三倍.该纠缠源的高保真度和高亮度,使得许多需要多光子资源的量子信息过程的实现成为可能.它可以大大降低六光子实验的实现难度,并为八光子实验提供可能. 2.提出一种使用随机产生的双光子纠缠光源制备可预知多光子纠缠源的方案在目前的实验条件下,能够制备的双光子纠缠光源多具有随机性(例如SPDC过程).要想知道纠缠态是否产生,必须要对制备的态进行测量.这对一些多光子实验将产生非常严重的影响,因此,能够先验地得知纠缠态何时产生而不需要对态进行任何破坏性测量的可预知纠缠态制备就具有非常重要的意义.我们提出了一种使用N + 1个SPDC源和线性光学元件来制备N光子可预知GHZ型偏振纠缠态的方案,对N + 2个理想的可分辨光子数计数器进行时间符合测量,可以预知纠缠态是否成功制备.该方案虽然不能完全消除SPDC高阶项带来的影响,但因其消耗的资源较少,在没有高阶项影响的系统中有较大优势. 3.实验上直接测量双光子混态concurrence(共生)的上下限对纠缠该怎样描述,怎样量化,这一直是困扰着物理学工作者的一大难题.我们在实验上利用对态的两份拷贝进行对称反对称投影的方法直接测量得到了两量子比特混态concurrence的上下限,测量结果基本上符合量子态层析术得到的结果.而且,在扩展到多光子时,我们使用的方法只需要线性增加双光子干涉的个数,而量子态层析术需要指数增加的实验资源.同时需要注意到的是,在超过2维×2维的情况下,即使通过量子态层析术得到态的密度矩阵,也没有办法通过其计算态的concurrence数值. 4.观察六光子聚束效应 在光学量子信息处理上,很多操作需要通过光子干涉来实现,而干涉本质上是由光子的时间空间不可区分性造成的.多光子聚束现象是一种研究光子的时间不可区分性的有效方法,我们在实验上观察到了六光子聚束现象,用来描述SPDC过程产生的三对光子的不可区分性.测量得到了17±2的增强因子,这虽然比理论值20要小,但却已经高过所有其它的可能值,足以证明我们观察到了真正的六光子态.


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