發(fā)布時間：2020-07-26 10:57

【摘要】：糾纏是量子物理學的一個違反直覺的特征,是量子技術(shù)的核心。高維量子態(tài)具有獨特的量子特性,并在某些量子信息和量子計算任務中較傳統(tǒng)技術(shù)更有優(yōu)勢,例如量子通信傳輸信息容量更大,量子計算和量子模擬的并行能力更強等。光子作為信息的載體,具有自由度多、易集成,相干性好等優(yōu)勢,此外,光子在形成多體和多維的糾纏態(tài)上具有先天的優(yōu)勢。傳統(tǒng)光路設備尺寸龐大,往往系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性個很大的挑戰(zhàn)。而集成技術(shù)不僅能夠縮小設備尺寸,做到小型化集成化多樣化,還能夠提供穩(wěn)定的相位和理想的可擴展性。最近集成光子芯片已成為量子糾纏態(tài)的產(chǎn)生,操縱和檢測的領先平臺。在這些研究中,糾纏態(tài)被編碼在各種模式上,諸如路徑,頻率等。特別是路徑模式,由于概念簡單清晰,已被運用于量子信息研究。我們報告了一種硅光子芯片,它使用新型干涉共振增強的光子對光源(DMZR),光譜波分復用器和高維可重構(gòu)線路來生成,操縱和分析路徑糾纏的三維糾纏態(tài),即qutrits。通過優(yōu)化片上電和熱串擾,我們獲得高于96.5%可見度的量子干涉,最大糾纏態(tài)保真度達到了95.5%。我們進一步探索糾纏的qutrits的基本屬性來測試量子非局域性和互文性性。并實現(xiàn)了圖論的量子模擬和高精度光學相位測量。我們的工作為多光子高維量子技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路。本論文主要的研究內(nèi)容包括以下幾個方面:(1)研究片上干涉共振增強諧振環(huán)的工作原理,我們通過傳輸矩陣與鏈式矩陣的方法計算了新型光源的透射譜,然后討論并分析了它在什么情況下能夠達到最優(yōu)的工作狀態(tài),并將它與傳統(tǒng)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)進行了比較,說明了它在作為片上集成糾纏光子對源的優(yōu)越性。然后我們通過實驗驗證了這一推斷,給出了實驗上優(yōu)化調(diào)節(jié)該種光源的方案,并計算有關(guān)參數(shù),驗證其能夠有效的工作。(2)我們在理論上研究了在qubit情況下通過分離相干泵浦產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對形成糾纏源的概念方案,然后給出了將其推廣到高維情況下的實驗方案和我們的芯片設計圖。我們在理論上研究了qubit情況下,路徑糾纏態(tài)和源全同性的關(guān)系,據(jù)此給出了在量子實驗中優(yōu)化該路徑糾纏源的方法,指出了作為判斷的參數(shù)指標;并在之后通過實驗數(shù)據(jù)展示了整個流程,由此完成了最大糾纏態(tài)的制備工作。我們通過量子層析技術(shù),對產(chǎn)生的量子態(tài)進行刻畫,并得到較高的保真度。我們在這節(jié)中還展示了我們對于實驗細節(jié)的把握,包括對片上電與熱串擾的表征和控制技術(shù)等,為規(guī)模片上量子系統(tǒng)的表征提供解決方案。(3)在證明能夠產(chǎn)生并精密操縱這樣的高維糾纏源后,我們在實驗完成了對高維bell不等式的測量,并證偽了局域隱變量模型;同時基于此高維糾纏態(tài)實現(xiàn)了無相容性漏洞的量子互文性驗證。我們還將這個源用于驗證圖論的量子模擬實驗的可行性,以及實驗了用于量子高精度相位測量時,高于傳統(tǒng)三路徑干涉儀的相位測量的敏感度。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O413;TN491
【圖文】：

＼ｉｆ／）邋＝邋ｃｏｓｄ邋｜０）邋＋邋ｅ，，ｆｓｉｎ６＼＼）邐（１－１）逡逑我們通常在所謂的Ｂｌｏｃｈ球上表示這樣一個量子態(tài)，如下圖１－１紅色箭頭指向逡逑ｉ0）邐ｃｐ邋＝０逡逑＃＞逡逑ｉ＋／＞逡逑圖１－１：邋Ｂｌｏｃｈ球上的量子態(tài)［２］逡逑球面上的點代表這個態(tài)，當處在綠色方框所標出的截面上時，＾邋＝邋０，態(tài)的兩項逡逑

這個方程被稱為截面向量Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程，本征值為爐－Ｐ。對全空間積分后逡逑求解方程本征值就可得到相應模式的傳播常數(shù)／？與ｎｅｆｆ。在尋找解時我們把電場逡逑振動方向沿著ｘ方向的解稱為ＴＥ模，把沿著ｙ方向的解稱為ＴＭ模。另外，逡逑按照０邋（或？ｆｆ）由小到大排列，最小的稱為基模，其他相應為高階模。逡逑值得一提的是，如果考慮材料存在損耗，我們可以將方程中的傳播常數(shù)０逡逑與材料折射率ｋ替換為復傳播常數(shù)Ｂ與復材料波矢Ｋ，其中，復傳播常數(shù)為逡逑Ｂ邋＝邋Ｊ３邋＋邋ｉａ邐（１－６）逡逑ａ是材料的損耗系數(shù)，指波傳播單位距離后振幅變?yōu)樵瓉淼模岜�。由于在一般逡逑情況下求解方程１－５比較困難，人們一般采用電腦幫助求解數(shù)值解。這里我們采逡逑用ＦＤＴＤ軟件ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｌｖｅｒ求解。我們采用波導的ｘ方向與ｙ方向?qū)挾儒义戏謩e５００ｎｍ與２２０ｎｍ，計算結(jié)果如下圖１－３，可以認為在一定波長范圍內(nèi)，？ｅｆｆ逡逑與波長呈一次函數(shù)關(guān)系如圖。值得注意的是，我們剛剛討論的過程都建立在直逡逑角坐標系下，如果討論的光波不沿直線傳播我們可以采用［３０］中的方法得到等逡逑，ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｖｅｒ一

這個方程被稱為截面向量Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程，本征值為爐－Ｐ。對全空間積分后逡逑求解方程本征值就可得到相應模式的傳播常數(shù)／？與ｎｅｆｆ。在尋找解時我們把電場逡逑振動方向沿著ｘ方向的解稱為ＴＥ模，把沿著ｙ方向的解稱為ＴＭ模。另外，逡逑按照０邋（或？ｆｆ）由小到大排列，最小的稱為基模，其他相應為高階模。逡逑值得一提的是，如果考慮材料存在損耗，我們可以將方程中的傳播常數(shù)０逡逑與材料折射率ｋ替換為復傳播常數(shù)Ｂ與復材料波矢Ｋ，其中，復傳播常數(shù)為逡逑Ｂ邋＝邋Ｊ３邋＋邋ｉａ邐（１－６）逡逑ａ是材料的損耗系數(shù)，指波傳播單位距離后振幅變?yōu)樵瓉淼模岜�。由于在一般逡逑情況下求解方程１－５比較困難，人們一般采用電腦幫助求解數(shù)值解。這里我們采逡逑用ＦＤＴＤ軟件ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｌｖｅｒ求解。我們采用波導的ｘ方向與ｙ方向?qū)挾儒义戏謩e５００ｎｍ與２２０ｎｍ，計算結(jié)果如下圖１－３，可以認為在一定波長范圍內(nèi)，？ｅｆｆ逡逑與波長呈一次函數(shù)關(guān)系如圖。值得注意的是，我們剛剛討論的過程都建立在直逡逑角坐標系下，如果討論的光波不沿直線傳播我們可以采用［３０］中的方法得到等逡逑，ｌｕｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅ邋ｓｏｖｅｒ一

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本文編號：2770670