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《西南交通大学》 2017年
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基于弱微波信号检测技术的量子非局域性和互文性的研究

王尧  
【摘要】:自从量子力学产生,量子特性就由于其与经典物理的不同而广泛的受到关注,尤其是如何理解作为基本量子特性的量子非局域性和量子互文性,一直以来都存在很多争议。近年来,由于量子相干调控技术的发展,使得学术界可以在实验上验证这些基本量子特性。确实,这两种基本的量子特性已经成为实现未来量子通讯与量子计算的物理基础。因此,对这两种基本量子特性的研究,不但涉及量子力学本身的基础研究,也是未来量子计算和量子通讯应用的实际需要。这就是本文立体的主要出发点。量子力学原理的争论,来自于早年的著名EPR佯谬的讨论。从EPR佯谬的分析出发,导致量子非局域性的推论和量子互文性的争议。在本文的绪论部分,我们首先介绍这一历史发展进程,从而为下面开展的实验验证做好理论铺垫;进而介绍实现这些验证所需要的一些实验基础知识。第二章将具体介绍我们在量子非局域性实验验证方面的工作。为此,我们搭建了一个参量下转换纠缠光子操纵和检测实验平台。按国际通行的办法,量子非局域性的验证是通过检验著名的Bell不等式的违背来实现的。在通常最大纠缠纯态的认定下,我们也获得了 Bell不等式违背的初步实验证据,但所获得的Bell函数值为S=2.735±0.062。这个值离理想的违背值(2.82)仍有相当大的距离。这意味着测量基的选择并不是最优的。通过应用量子层析技术,我们对测量基的选择进行了优化,由此得到新的Bell函数值为S = 2.772±0.063,实现了 Bell不等式的更大违背。针对Bell不等式实验中激光器的功率不足以产生足够多的纠缠光子对,我们更换了一台新的半导体激光器并对其进行了调试,得到了较大的功率,满足了实验研究的需要。第三章是我们关于量子互文性的数字实验验证工作。验证量子互文性的最简单物理系统是三态(或三能级)系统,但需要对量子态进行非破坏性的高保真测量。为此,我们建立了通过微波腔透射谱的检测来实现三能级原子量子态的非破坏测量方案,理论模拟表明,每个量子态的布居与相应透射谱的相对强度(或者说高度)一一对应,所以微波腔的透射谱线就可以表征相应每个能级的量子态及其布居。其次,通过数学分析,我们给出了无需两体关联测量而仅依赖于单态测量的互文性违背不等式,即Kochen-Specker不等式的具体形式。利用这一非破坏测量方案,可以使用腔量子电动力学系统来验证量子互文性,通过数值实验,我们实现了态无关的Kochen-Speckor不等式和态依赖的KCBS不等式违背的验证。由此,证实了量子互文性。第四章是我们关于超导边界转换传感(TES)单光子探测器的制备工作。在量子特性验证的实验中,所需要测量的都是微弱光子(甚至是单光子)信号,因此需要实现高效率的单光子探测,以确保没有探测漏洞的存在。遗憾的是,目前实验所用的半导体光子探测器都达不到这一要求。为此,我们对基于超导边界传感效应的单光子探测器进行了探索。利用实验室现有的微纳器件制备和加工平台,我们制备处了初步的TES单光子探测器芯片样品,在极低温环境下对其超导转变特性进行了测量和表征,这为下一步实现高效率单光子探测打下了很好的器件制备和测试基础。第五章主要介绍我们关于光子轨道角动量态的制备和操纵工作。光子轨道角动量是光子偏振特性外的另一种物理属性,之前大家关注得不多。实际上,光子轨道角动量所承载的信息比通常的自旋角动量(即偏振)自由度更多,因此它在未来光量子通讯与光量子计算将具有更大的应用前景。利用空间光调制器,我们在实验上实现了光子轨道角动量的制备和表征,建立了利用光子轨道角动量自由度来实现多自由度Bell不等式违背验证的可行方案。第六章是我们关于光子聚束效应调控的研究,它可看作是对我们之前对腔量子电动力学研究的一个具体应用。最后是全文的总结以及未来一些进一步研究工作的展望。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN911.23;O413

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