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纠缠光子空间关联调控及其应用

钟马林  
【摘要】:近年来,量子信息科学快速发展,展现出了诱人的应用前景。小型化集成化的量子光学芯片使得量子信息处理更加稳定,扩展性更强,成为了量子信息科学的一个新的发展方向。纠缠光子作为量子信息科学的一个重要物理资源,其产生与调控成为了重点的研究内容。而空间特性是纠缠光子基础且重要的一个调控维度。沿着量子信息科学的发展方向,更加集成化地产生和调控纠缠光子成了大势所趋。光学超晶格是最常用的一种产生纠缠光子的材料,利用灵活的畴工程技术,可以实现特殊性质纠缠光子的高效产生。本论文具体涉及以下几方面的研究内容:1、利用周期极化的钽酸锂晶体直接制备了具有横向动量正关联、位置反关联的反EPR纠缠态。理论计算了泵浦光聚焦参数对纠缠光子空间关联的调控特性。并实验上利用紧聚焦的泵浦光,在钽酸锂光学超晶格中制备了反EPR态。通过对其动量、位置不确定度的测量,计算出其动量位置不确定度乘积为(△X+)2(△p-)2=0.14±0.02h2,小于h2,从而验证了反EPR态的成功制备。2、通过理论计算,得到了不同动量关联特性下鬼成像分辨率和放大率的解析表达式。鬼成像的放大率由外部放大率和内禀放大率两部分组成,通过鬼成像实验测量得到内禀放大率可以用来作为纠缠度的判据。更重要的是,根据分辨率的表达式可以得到纠缠光子不同动量关联特性下,光路配置、晶体长度及泵浦光束腰对分辨率的影响。此外,我们给出了在不同配置参数下,鬼成像的数值模拟。这对于鬼成像的实验及其应用都具有指导性的意义。3、将经典光学中的菲涅尔波带片结构引入到了光学超晶格中。通过将钽酸锂晶体极化成波带片结构,制备了非线性菲涅尔波带片。并在实验上验证了这种非线性波带片可以同时实现二次谐波产生与成像。此外,我们将波带片结构引入到一维光学超晶格的横向调制上,通过理论计算发现,一个这样的结构等效为同时集成了均匀一维超晶格与具有多焦点的透镜。利用这种结构,可以实现多焦距的无透镜鬼成像,使得对纠缠双光子空间关联的调控更加便捷,集成化。4、基于量子纠错编码中的Shor码方案,我们提出了两种针对光子为量子信息载体的量子纠错方案。一种是编码在单光子多自由度上的量子纠错编码方案,利用这种方案,可以便捷地实现量子纠错,且大大降低了对光子数的要求。针对该方案,我们设计了完整的实验光路。此外,针对方案后续应用上可能存在的问题,我们提出了另一种编码在双光子多自由度上的量子纠错编码方案,该方案可以有效的解决差错检验时探测问题。这两个方案的提出,为光子为载体的量子纠错编码方案拓宽了思路。


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