發(fā)布時間：2020-11-14 02:54

　　 量子信息是一門新的交叉學(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,可以用于實現(xiàn)量子信息傳輸、量子精密測量、量子計算。一個高量子關(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,實現(xiàn)系統(tǒng)輸出光場量子特性增強。另外,復(fù)用是光通信的一個重要概念,它將多個信息通道集合在一個信息通道里面,極大地提高信息通信容量。光軌道角動量作為一個重要的物理量,具有無限帶寬的特點,可以用來實現(xiàn)信息傳輸。我們把復(fù)用和光軌道角動量相結(jié)合,將它們應(yīng)用于連續(xù)變量量子系統(tǒng),并且實現(xiàn)了光軌道角動量模式復(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工作:1、我們基于熱銣原子蒸汽系綜四波混頻過程實現(xiàn)線性相干反饋控制。通過調(diào)節(jié)線性反饋控制器的反饋系數(shù),我們可以提高系統(tǒng)輸出光場的量子關(guān)聯(lián)特性。此外,我們還發(fā)現(xiàn)線性反饋控制器存在一個最優(yōu)反饋參數(shù),可以最大化系統(tǒng)輸出光場的量子關(guān)聯(lián)特性。2、我們基于熱銣原子蒸汽系綜四波混頻過程實現(xiàn)非線性相干反饋控制。通過調(diào)節(jié)非線性反饋控制器的增益強度,我們可以提高系統(tǒng)輸出光場的量子關(guān)聯(lián)特性。此外,我們還發(fā)現(xiàn)非線性反饋控制器存在一個最優(yōu)增益強度,可以最大化系統(tǒng)輸出光場的量子關(guān)聯(lián)特性。3、我們基于熱銣原子蒸汽系綜四波混頻過程實現(xiàn)光軌道角動量模式復(fù)用的連續(xù)變量糾纏。我們確定性地產(chǎn)生了13對糾纏的拉蓋爾高斯模式:LG_(?,pr)和LG_(-?,conj),其中?表示對應(yīng)光軌道角動量模式的拓?fù)浜蓴?shù),pr和conj分別表示探針光場和共軛光場。同時我們也證明了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程中的非線性相互作用滿足軌道角動量守恒。此外,我們研究了三種不同光軌道角動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)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O413;O562
【部分圖文】：

.1.1 離散變量量子系統(tǒng)近年來，離散變量量子體系和連續(xù)變量量子體系都有長足的發(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，實現(xiàn)多光子糾纏的這個領(lǐng)域在國際上的競爭是十分激烈的。1999 年，奧地利 Zeilin究組首次在實驗上實現(xiàn)了三光子糾纏 [7]。盡管這個工作只是將兩體粒子糾纏擴展到三體粒纏似乎只是邁出了一小步，但是這個工作意義相當(dāng)深遠，將量子系統(tǒng)推向更廣泛的應(yīng)用。例工作中實現(xiàn)的 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 三粒子糾纏態(tài)將量子密碼編譯從兩體擴第三體，進而擴展到更多粒子，為后面的量子通信和量子計算協(xié)議建立了一個基礎(chǔ)。2001 eilinger 研究組利用參量下轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了四光子 GHZ 態(tài)的制備和測量 [8]。該工作實現(xiàn)了高純量子隱形傳態(tài)，同時也開辟了一種基于線性光學(xué)的量子計算以及量子通信的可行方案。在幾年的研究中，這種基于線性光學(xué)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)糾纏光子操控的方案被進一步擴展用來實現(xiàn)更度的量子糾纏系統(tǒng)，進而為實現(xiàn)量子計算、量子模擬、量子糾纏等任務(wù)提供了優(yōu)質(zhì)的量子源。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團隊在多光子糾纏領(lǐng)域有非常重要的突破，實現(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，并且保持著國際領(lǐng)先。圖 1-1 展示的是多光子糾纏的實驗裝置圖。

華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文長距離的量子信息傳輸。2012 年，Zeilinger 研究組在自由空間中實現(xiàn)了 144 公里的量輸 [21]，在當(dāng)時該工作的傳播距離比以往自由空間實驗提高了一個數(shù)量級，為未來實星和空間量子通信實驗邁出了重要的一步。2014 年，科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團隊在用了誘騙態(tài)的方案實現(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驗過程中，單光子源難以制備，實驗上采干光源可能存在不可忽略的多光子成分，容易導(dǎo)致多余光子被竊聽從而使信息泄露的案提出可以通過制備多種不同光強相位隨機化的弱相干脈沖來作為系統(tǒng)的量子光源，為信號態(tài)用于產(chǎn)生密鑰，其余的為誘騙態(tài)，經(jīng)過相位隨機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)。竊聽者無法確定所竊聽的光子屬于信號態(tài)，從而保證了。2016 年，科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊在光纖中進一步實現(xiàn)了 404 公里量子密鑰分發(fā) [26-2(a)。為了繼續(xù)擴大量子傳輸?shù)木嚯x，我國發(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，彭堃墀研究團隊首次利用光場的兩個正交分量進行編碼，實現(xiàn)了兩組份連續(xù)變碼 [42]。隨后 2003 年，彭堃墀研究團隊又將連續(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，是實現(xiàn)量子節(jié)點間連接的最有前途的方法之一，它可以使兩個未發(fā)生相糾纏在一起，進而實現(xiàn)量子信息的傳遞。2004 年，彭堃墀研究團隊基于連續(xù)變量了非條件的糾纏交換 [44]。
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本文編號：2882985