三组份偏振纠缠光场的制备及三原子系综之间量子纠缠的实现

【摘要】：当前量子网络已成为量子信息领域的一个热门课题,通常一个实用化的量子网络包括由光纤等构成的量子信息传输通道以及由原子系综、离子系统等构成的量子节点。光场是量子信息传输的理想载体,是实现量子节点间信息传递的基础,所以要构造一个真正的量子网络,首先需要制备能与量子节点相互作用的非经典态光场。由Stokes算符描述的偏振压缩态以及偏振纠缠态光场可以方便的和原子自旋算符对应,且其测量方式简单,是构造量子网络的理想信息载体之一。量子中继是延伸量子信息网络的一个有效手段,而高效稳定的量子存储是实现量子中继的基础。为此,在攻读博士学位期间,主要开展了以下两部分研究工作:首先进行与铷原子D1线相匹配的连续变量非经典光场的制备研究,分别制备了795nm的偏振压缩光场及偏振纠缠光场,为开展光与原子相互作用研究提供了必须的量子资源。然后利用电磁感应透明效应(EIT)执行非经典光场的量子存储,我们将三组份纠缠光场的三个子模分别存储在三个空间分离的铷原子系综中,在三个铷原子系综之间建立了量子纠缠,之后又将被存储的纠缠变换回三个独立的量子通道中,完成纠缠检测。我们的方案可以直接扩展至建立更多量子节点之间的纠缠,为构建实用化量子网络提供了一种可行方案。本论文主要研究内容如下:1.为制备与铷原子系综对应的非经典光场,我们首先建立了外腔倍频系统,用1W的基频光泵浦,获得了380m W的波长为398nm的紫外激光,并利用热辐射扩散模型量化了热效应的作用。被获得的紫外激光为非经典光场产生提供了泵浦源。2.利用398nm紫外光场泵浦两个非简并光学参量放大器(DOPA)得到两束波长为795nm的正交振幅压缩态光场,经分束器和偏振棱镜线性变换,通过对入射光场的位相控制,分别得到与铷原子D1线对应的偏振压缩态光场和两组份偏振纠缠态光场。3.利用三个DOPA分别产生两束正交振幅压缩态光场和一束正交位相压缩态光场。将三束压缩态光场及三束相干态光场在特别设计的分束器网络上耦合,第一次实验制备了连续变量三组份偏振纠缠态光场。4.利用电磁感应透明效应实现了三组份纠缠态光场在三个彼此距离2.6米的铷原子系综中的存储,建立了三个原子系综间的量子纠缠。之后,又执行了被存储纠缠到三个光学通道的受控释放,通过对释放光场的纠缠检测,证实了纠缠存储。主要创新点为:1.第一次制备了与铷原子D1线对应的明亮的连续变量偏振压缩态光场,该光场采用直接零差探测,便于实际应用。2.实验制备了与铷原子D1线匹配的连续变量两组份和三组份偏振纠缠态光场,为实现连续变量量子信息网络提供了可用的纠缠资源。3.利用电磁感应透明效应,实现了多组份光学纠缠到空间分离的多个原子系综间的纠缠转移以及原子系综到光学通道的纠缠释放。该方案可以直接扩展到更多的量子节点,为构建实用化量子网络提供了理论和实验参量。