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高增益自发参量过程的多光子关联效应

张学智  
【摘要】:量子纠缠是量子信息与量子计算的核心资源,非线性晶体的自发参量下转换过程是实验上获取纠缠光源的常用途径之一.由于晶体的非线性光学效应的转化效率很低,测量中认为仅有一个泵浦光子转换为一对相互关联的信号光子和闲频光子,所以理论上多采用量子纠缠态描述双光子源.而在实际的自发参量过程中,非线性晶体总是辐射出大量光子,这些光子之间既存在量子纠缠,又会产生热光关联效应,两者之间相互影响,双光子纠缠态在高增益条件下不再适用.本论文从自发参量过程的光场输入-输出关系出发,研究高增益自发参量下转换光场多光子干涉的高阶关联函数,我们发现多光子关联效应中不仅包括量子纠缠效应,还会出现热光关联效应,二者之间相互影响,相互耦合.在Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉仪的双光子关联理论模拟中,我们发现热光关联效应贡献为量子纠缠效应的背景,自发参量下转换的增益增加时,热光关联效应的贡献也随之增长.我们计算了基于自发参量下转换的量子刻录的任意N阶光子关联函数,发现增益较高时,量子刻录的干涉条纹可见度下降,可通过高阶光子关联测量加以改善,模拟结果显示多光子关联测量只能反映双光子干涉的特征,多光子过程仅仅体现于干涉条纹锐利度的增加,不能突破双光子衍射极限.在自发参量下转换光场入射的双缝干涉实验分析中,我们计算了二阶,三阶和四阶光场关联函数,发现高阶光场关联中量子纠缠和热光关联效应之间会相互耦合.根据宽带极限条件下的四阶和六阶关联函数中量子纠缠效应的分析,我们发现当测量装置满足一定的条件时,可以得到多光子亚波长干涉图样,突破双光子衍射极限,我们将这一结论推广至任意偶数阶关联测量方案,提出任意偶数阶亚波长干涉效应的理论设计方案,为进一步提突破衍射极限提供了理论依据.


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