發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 02:54

　　 量子信息是一門(mén)新的交叉學(xué)科,它集量子力學(xué),量子光學(xué),信息科學(xué)等學(xué)科為一體。其中,非經(jīng)典態(tài)(例如壓縮態(tài)、糾纏態(tài)、單光子態(tài)、薛定諤貓態(tài)),由于它們具有量子關(guān)聯(lián)特性,被認(rèn)為是重要的量子資源,可以用于實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸、量子精密測(cè)量、量子計(jì)算。一個(gè)高量子關(guān)聯(lián)特性的量子態(tài)可以有效地提高量子通信的保真度以及量子精密測(cè)量的靈敏度,因此提高量子態(tài)量子關(guān)聯(lián)特性是至關(guān)重要的。我們將反饋控制策略應(yīng)用于量子系統(tǒng)中,提出兩種相干反饋控制方案,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出光場(chǎng)量子特性增強(qiáng)。另外,復(fù)用是光通信的一個(gè)重要概念,它將多個(gè)信息通道集合在一個(gè)信息通道里面,極大地提高信息通信容量。光軌道角動(dòng)量作為一個(gè)重要的物理量,具有無(wú)限帶寬的特點(diǎn),可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。我們把復(fù)用和光軌道角動(dòng)量相結(jié)合,將它們應(yīng)用于連續(xù)變量量子系統(tǒng),并且實(shí)現(xiàn)了光軌道角動(dòng)量模式復(fù)用的連續(xù)變量糾纏,極大地提高了量子系統(tǒng)的通信容量。本論文包含以下三個(gè)工作:1、我們基于熱銣原子蒸汽系綜四波混頻過(guò)程實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性相干反饋控制。通過(guò)調(diào)節(jié)線(xiàn)性反饋控制器的反饋系數(shù),我們可以提高系統(tǒng)輸出光場(chǎng)的量子關(guān)聯(lián)特性。此外,我們還發(fā)現(xiàn)線(xiàn)性反饋控制器存在一個(gè)最優(yōu)反饋參數(shù),可以最大化系統(tǒng)輸出光場(chǎng)的量子關(guān)聯(lián)特性。2、我們基于熱銣原子蒸汽系綜四波混頻過(guò)程實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性相干反饋控制。通過(guò)調(diào)節(jié)非線(xiàn)性反饋控制器的增益強(qiáng)度,我們可以提高系統(tǒng)輸出光場(chǎng)的量子關(guān)聯(lián)特性。此外,我們還發(fā)現(xiàn)非線(xiàn)性反饋控制器存在一個(gè)最優(yōu)增益強(qiáng)度,可以最大化系統(tǒng)輸出光場(chǎng)的量子關(guān)聯(lián)特性。3、我們基于熱銣原子蒸汽系綜四波混頻過(guò)程實(shí)現(xiàn)光軌道角動(dòng)量模式復(fù)用的連續(xù)變量糾纏。我們確定性地產(chǎn)生了13對(duì)糾纏的拉蓋爾高斯模式:LG_(?,pr)和LG_(-?,conj),其中?表示對(duì)應(yīng)光軌道角動(dòng)量模式的拓?fù)浜蓴?shù),pr和conj分別表示探針光場(chǎng)和共軛光場(chǎng)。同時(shí)我們也證明了LG_(?,pr)和LG_(?,conj)(l≠0)模式之間不存在糾纏。以上結(jié)果從連續(xù)變量的角度證明了在四波混頻過(guò)程中的非線(xiàn)性相互作用滿(mǎn)足軌道角動(dòng)量守恒。此外,我們研究了三種不同光軌道角動(dòng)量相干疊加模式的糾纏特性。最后,我們還研究了泵浦腰斑大小對(duì)系統(tǒng)模式復(fù)用數(shù)目的影響。
【學(xué)位單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：O413;O562
【部分圖文】：

.1.1 離散變量量子系統(tǒng)近年來(lái)，離散變量量子體系和連續(xù)變量量子體系都有長(zhǎng)足的發(fā)展。在離散變量量子體系中多粒子糾纏的研究有著很大的發(fā)展。糾纏的粒子數(shù)目越多意味著系統(tǒng)的量子信息處理能力，因此，實(shí)現(xiàn)多光子糾纏的這個(gè)領(lǐng)域在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)是十分激烈的。1999 年，奧地利 Zeilin究組首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了三光子糾纏 [7]。盡管這個(gè)工作只是將兩體粒子糾纏擴(kuò)展到三體粒纏似乎只是邁出了一小步，但是這個(gè)工作意義相當(dāng)深遠(yuǎn)，將量子系統(tǒng)推向更廣泛的應(yīng)用。例工作中實(shí)現(xiàn)的 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 三粒子糾纏態(tài)將量子密碼編譯從兩體擴(kuò)第三體，進(jìn)而擴(kuò)展到更多粒子，為后面的量子通信和量子計(jì)算協(xié)議建立了一個(gè)基礎(chǔ)。2001 eilinger 研究組利用參量下轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了四光子 GHZ 態(tài)的制備和測(cè)量 [8]。該工作實(shí)現(xiàn)了高純量子隱形傳態(tài)，同時(shí)也開(kāi)辟了一種基于線(xiàn)性光學(xué)的量子計(jì)算以及量子通信的可行方案。在幾年的研究中，這種基于線(xiàn)性光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)糾纏光子操控的方案被進(jìn)一步擴(kuò)展用來(lái)實(shí)現(xiàn)更度的量子糾纏系統(tǒng)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子模擬、量子糾纏等任務(wù)提供了優(yōu)質(zhì)的量子源。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在多光子糾纏領(lǐng)域有非常重要的突破，實(shí)現(xiàn)五光子 [光子 [10]、八光子 [11]、十光子 [12] 以及十二光子 [13] 的糾纏操控，并且保持著國(guó)際領(lǐng)先。圖 1-1 展示的是多光子糾纏的實(shí)驗(yàn)裝置圖。

華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文長(zhǎng)距離的量子信息傳輸。2012 年，Zeilinger 研究組在自由空間中實(shí)現(xiàn)了 144 公里的量輸 [21]，在當(dāng)時(shí)該工作的傳播距離比以往自由空間實(shí)驗(yàn)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，為未來(lái)實(shí)星和空間量子通信實(shí)驗(yàn)邁出了重要的一步。2014 年，科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團(tuán)隊(duì)在用了誘騙態(tài)的方案實(shí)現(xiàn)了 200 公里的量子密鑰分發(fā) [22]，其中誘騙態(tài)方案早在 2003 年005 年 [24,25] 提出，其目的是為了解決在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，單光子源難以制備，實(shí)驗(yàn)上采干光源可能存在不可忽略的多光子成分，容易導(dǎo)致多余光子被竊聽(tīng)從而使信息泄露的案提出可以通過(guò)制備多種不同光強(qiáng)相位隨機(jī)化的弱相干脈沖來(lái)作為系統(tǒng)的量子光源，為信號(hào)態(tài)用于產(chǎn)生密鑰，其余的為誘騙態(tài)，經(jīng)過(guò)相位隨機(jī)化后弱相干脈沖可以看做是分布的不同光子數(shù)態(tài)的混態(tài)。竊聽(tīng)者無(wú)法確定所竊聽(tīng)的光子屬于信號(hào)態(tài)，從而保證了。2016 年，科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在光纖中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了 404 公里量子密鑰分發(fā) [26-2(a)。為了繼續(xù)擴(kuò)大量子傳輸?shù)木嚯x，我國(guó)發(fā)射了一顆量子通信衛(wèi)星，將量子信息傳輸輸轉(zhuǎn)向了地空傳輸，實(shí)現(xiàn)了上千公里的跨洲際量子通信 [27]，如圖 1-2(b)。

華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文了非經(jīng)典波包的量子隱形傳態(tài)，并且開(kāi)發(fā)了一套寬帶、零色散隱形傳輸設(shè)備 [4碼是量子信息傳輸?shù)牧硪恢匾�環(huán)節(jié)，在離散變量量子體系中，人們可以利用光子垂直偏振實(shí)現(xiàn)信息的編碼，而在連續(xù)變量體系中的信息編碼，需要采取不同的編，彭堃墀研究團(tuán)隊(duì)首次利用光場(chǎng)的兩個(gè)正交分量進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)了兩組份連續(xù)變碼 [42]。隨后 2003 年，彭堃墀研究團(tuán)隊(duì)又將連續(xù)變量量子密集編碼推廣到三組份次在連續(xù)變量系統(tǒng)中討論多組份糾纏的量子結(jié)構(gòu)。量子糾纏交換是量子信息另一的領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)量子節(jié)點(diǎn)間連接的最有前途的方法之一，它可以使兩個(gè)未發(fā)生相糾纏在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子信息的傳遞。2004 年，彭堃墀研究團(tuán)隊(duì)基于連續(xù)變量了非條件的糾纏交換 [44]。
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