高纠缠度纠缠态光场的制备及其在量子秘密共享中的应用

【摘要】：量子信息科学是近年来迅速发展的一门交叉学科,它利用各种量子资源进行信息的传递和处理,其目的是使信息的安全性、处理速率以及计算精度等突破经典信息系统的极限。量子信息科学包括量子通信、量子计算以及量子计量学等内容。人们对量子通信技术,包括量子离物传态、量子密集编码、量子秘钥分发、量子秘密共享、量子纠缠交换等已进行了大量理论与实验研究,并开始向实际应用拓展,这一领域的研究成果展示了量子信息科学的巨大潜能。量子纠缠是最基本的量子资源,制备连续变量纠缠态光场是执行连续变量量子信息的基础,纠缠态光场的质量是完成高质量量子信息的基本保证,量子离物传态的保真度,量子通信的速率及安全性等均取决于量子资源的纠缠度,因此提高纠缠态光场的纠缠度成为当前发展量子信息技术的关键问题之一。我们通过改进纠缠光产生系统的结构和相干反馈控制方法提高了纠缠光场的质量,随后以两组份纠缠态光场为资源,制备了可用于量子信息网络的四组份束缚纠缠态光场,完成了四用户之间阈值可控的(k,n)连续变量量子秘密共享。本文的主要研究内容概括如下:1.利用带楔角的KTP晶体,实现了信号光场、闲置光场以及泵浦光场在非简并光学参量振荡腔(NOPA)内的三模同时共振,有效地降低了腔的振荡阈值,并提高输出耦合镜对信号光场的透射率将输出EPR纠缠态光场的纠缠度提高到了8.4d B,达到目前单腔输出纠缠态光场的最高纠缠度,实验的产生装置简单易操作,利于向实用化发展。2.量子相干反馈控制是一种不需要对光场进行测量的直接反馈方式,因此不会引入额外噪声,可以更好地对量子光场进行操控。我们提出了一种利用相干反馈操控纠缠态光场的理论方案,仔细分析了各个物理参数对相干反馈系统的影响,并通过实验证实了它的可行性,用此方法提高了EPR纠缠态光场的纠缠度,降低了光学参量放大器的阈值,理论计算的分析结果与实验的测量结果一致。3.秘密共享是量子通信的一种基本技术,是实现一个信息在多个用户中安全分享的关键。我们首先以EPR纠缠态光场为资源经过线性光学变换制备了具有特殊量子关联特性的四组份束缚纠缠态光场,然后信息分发者将秘密信息加载于EPR纠缠态光场的子模上,再将带有秘密信息的子模分发给四个用户,通过调节加载信息信号的大小实现了阈值可控的(k,n)连续变量量子秘密共享。以上工作的主要创新点如下:1.利用带楔角的KTP晶体代替传统的正入射晶体,最大限度地减小了内腔损耗,并获得了单腔输出纠缠光场的最高纠缠度。2.提出和实现了一种利用相干反馈操控纠缠态光场的新方案。3.第一次实现了阈值可控的(k,n)连续变量量子秘密共享。