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多光子态的制备及应用

柳必恒  
【摘要】: 量子信息学作为一门新的学科引起科学家们的广泛关注。近十年来,随着科技水平的不断提高,人们试图在各种物理体系中去实现量子信息处理。而作为量子信息学的基础,在两粒子乃至多粒子体系实现纠缠态制备成为一个最基本的要求。目前人们已经可以在线性光学系统,腔量子电动力学系统,核磁共振,离子阱,量子点,超导约瑟夫森结等系统中实现两比特纠缠态的制备。其中,线性光学系统由于利用光子作为信息载体,具有很好的传输性质,单比特操作易实现,与环境的相互作用小等明显优势而备受关注。目前基于双光子过程的基本理论大部分都已经在线性光学系统里实现,像任意态的制备,单比特操作,两比特非线性门操作等。 相比两粒子两维体系而言,多粒子高维体系无论是在量子信息的基础研究方面还是量子计算方面都具有更多的优越性。人们已经将线性光学系统拓展到多光子高维体系,并在实验上取得一定进展。然而,随着粒子数目的增加,研究的难度大大增加,多光子态制备、测量等基本内容都没有一套完整的有规律可循的有效手段,这也是作者把多光子态的制备及应用作为研究方向的主要原因。针对这些问题,本论文在以下几方面取得重要成果: 1、提出一种制备任意多光子态的有效方法。 多光子态的制备是研究多光子量子信息过程的基础,然而,现有的态制备手段很有限,只能通过光子干涉的方法来得到有限的几个或几类多光子态。我们从理论上提出利用同模多光子态来制备任意多光子态的方案,该方案不采用光学干涉仪,具有很好的稳定性,能制备出任意多光子W态、GHZ态及他们的叠加态等,是一种有效的可扩展的多光子态的制备方法。我们还给出了具体的实验验证(该工作正在进行)。 2、利用两块参量下转换晶体产生的三光子态实现了完全可控的多光子时间可区分性的实验验证。 光子的可区分性直接影响到多光子态制备的纯度和多光子干涉的干涉可见度,并影响到实验的结果。如果能定量的得到多光子的可区分性,将可以大大增加实验的处理能力。由于多光子态制备手段的限制,并没有实现完全可控的时间区分性实验。我们利用两块参量下转换晶体产生的时间模式完全可控的三光子态,完成了完全可控的三光子时间可区分性的实验。针对具体的实验系统,我们还系统的研究了利用两块参量下转换晶体产生多光子过程中的受激辐射过程,并给出了合理的理论解释,为今后类似的态制备过程提供了宝贵的经验。 3、采用投影测量的方法系统的研究了三光子德布罗意波长。 作为多光子态的典型应用之一,由于直接与高精度位相测量相关,多光子的德布罗意波长的实验进展总能吸引人们的目光。以前的工作大多是利用多光子的最大纠缠态NOON态来实现的,对态制备的要求很高,实验上不易实现。我们从态测量的角度,研究了三光子的德布罗意波长,这种方法可以有效地利用参量下转换产生的多光子态,而不需要多光子的最大纠缠态,且这种方法可以方便的扩展到更多光子数的情况。 4、进一步扩展投影测量的方法,采用非平衡分束器研究了四光子干涉和三光子的时间可区分性。 多光子实验的难度一方面在于态制备的过程,另一方面在于多光子的实际探测效率,这也是国际上对高效光子源研究的动力源泉。在态制备和探测效率两方面寻求一个合适的结合点是当前一个切实可行的方案。我们进一步扩展了投影测量的方法,在三光子和四光子水平下采用非平衡分束器来研究多光子干涉。这种方法一方面不需要多光子最大纠缠态,另一方面利用非平衡分束器投影的方法获得了较高的多光子符合效率,从而很好的利用现有的技术条件实现了一系列多光子实验。


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