【摘要】：量子通信是量子論和信息論相結(jié)合的新型研究領(lǐng)域,事關(guān)國家信息和國防安全,是國家優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地,在金融、政務、國防、電子信息等領(lǐng)域有著巨大的應用前景。量子糾纏的制備和糾纏信道的建立是量子通信的核心技術(shù)。在糾纏信道中,節(jié)點作為基本的構(gòu)架進行量子信息的整合、存儲、分發(fā),而堿金屬原子是量子通信節(jié)點的一個研究熱點,要實現(xiàn)光場與節(jié)點的直接相互作用,就需要制備波長與原子節(jié)點的躍遷頻率相匹配的糾纏態(tài)光場,基于光與堿金屬原子的非線性四波混頻效應產(chǎn)生孿生光束并制備糾纏態(tài)光場就是一個很好的方案。相比于其它堿金屬原子,銫原子的基態(tài)超精細能級間隔大,與光場的相互作用不易受周圍能級的影響;并且銫原子D1線的895 nm波長對應于InAs量子點激子發(fā)射波段,是原子和固態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)量子態(tài)交換的紐帶。因此,堿金屬銫原子作為有效的節(jié)點和對應的非經(jīng)典態(tài)光場的相互作用是實現(xiàn)量子信息過程的理想相干界面。利用堿金屬原子中的非簡并四波混頻過程產(chǎn)生的雙模壓縮態(tài)光場,由于其光頻率對應于原子的躍遷能級,可直接用于基于原子的量子通信和量子計算。同時無腔限制的四波混頻過程產(chǎn)生的非經(jīng)典態(tài)光場具有空間多模特性,增加了光場包含的信息量,使得其在量子圖像糾纏、量子成像和寬帶高維量子存儲等方面具有廣泛應用。而軌道角動量(orbital angular momentum,OAM)光束作為一種特殊的空間多模光束,由于具有特殊光強分布和高階模式,被廣泛地用于微觀粒子的光學操控,并且OAM光束的高維度特性可用于高容量通信和高速信息處理領(lǐng)域。該論文在銫原子的四波混頻過程中產(chǎn)生高關(guān)聯(lián)度孿生光束并研究軌道角動量連續(xù)變量糾纏態(tài)的糾纏特性。包括以下五個部分:第一章首先介紹了幾種基本的量子態(tài)光場:相干態(tài)、壓縮態(tài)和糾纏態(tài)。對這幾種量子態(tài)的描述局限在單個空間模式中。而具有空間多模特性的量子態(tài)光場是目前研究的一個熱點,尤其是攜帶軌道角動量的非經(jīng)典態(tài)光場備受研究工作者關(guān)注,因此我們也介紹了軌道角動量光束的基本知識。第二章介紹了雙Λ型能級結(jié)構(gòu)四波混頻過程的基本理論模型,以及利用四波混頻過程產(chǎn)生的雙模壓縮態(tài)光場,討論了增益及系統(tǒng)內(nèi)部損耗對強度差壓縮態(tài)光場壓縮度的影響。最后,分析了四波混頻過程中的相位匹配條件。第三章制備了對應于Cs原子D1線的量子關(guān)聯(lián)孿生光束,該系統(tǒng)中使用光學鎖相環(huán)實現(xiàn)探針光和泵浦光的相對頻率和相對相位鎖定,在分析頻率為0.23 MHz處測得了最大6.0 dB的強度差壓縮,隨后對系統(tǒng)的實驗參數(shù)做了詳細分析,得出系統(tǒng)四波混頻增益和強度差壓縮度與各個實驗參數(shù)的依賴關(guān)系,給出獲得最高壓縮度的最佳實驗參數(shù)值。第四章半導體激光器作為光源,使用電光調(diào)制器產(chǎn)生探針光,通過優(yōu)化實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性和探測系統(tǒng)的電子學噪聲,選取最優(yōu)的實驗參數(shù),獲得了一個緊湊型的、頻率低至0.7 kHz、最大壓縮度為6.5 dB的強度差壓縮量子光源。第五章在銫原子四波混頻過程中制備攜帶軌道角動量的連續(xù)變量糾纏態(tài)光場,獲得的糾纏度接近4 dB。兩組份軌道角動量連續(xù)變量糾纏態(tài)的獲得為多組份軌道角動量連續(xù)變量糾纏態(tài)的研究奠定了實驗基礎(chǔ)。其中,創(chuàng)新性工作如下:Ⅰ.分別利用光學鎖相環(huán)和電光調(diào)制器獲得了頻率差9.2 GHz(對應于銫原子基態(tài)6S_(1/2)超精細能級間隔)且相對位相穩(wěn)定的銫原子四波混頻的泵浦光及注入光,將波長895 nm的強度差壓縮態(tài)光場的壓縮度提高至6.5 dB。Ⅱ.設(shè)計并研制了一個緊湊型半導體激光器泵浦的頻率低至0.7 kHz、最大壓縮度為6.5 dB強度差壓縮光源,這是目前報道的在類似系統(tǒng)中獲得的最低頻的強度差壓縮。Ⅲ.利用四波混頻過程無腔限制的優(yōu)勢,實驗制備了4 dB的兩組份軌道角動量連續(xù)變量糾纏態(tài)。
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O431.2;O562
【圖文】：

方差算符表達式為： 2 2 2 X =X X。 （1.在量子力學中，兩個可測量的算符對易，才能同時被觀測。而描述光場的兩正交算符不對易，因此正交分量必須服從海森堡不確定性關(guān)系。當不等式取最小時，光場的所有態(tài)具有最小的量子噪聲，即， 2 2 1 = =2 X Y ， （1.1該態(tài)被稱為最小不確定態(tài)，即相干態(tài) ，它是湮滅算符的本征態(tài) a ，相態(tài)可分解為光子數(shù)態(tài)的疊加：220=!nne nn ， （1.1上式表明相干態(tài)的光子數(shù)分布為泊松分布，如圖 1.1（b）的相空間上相干態(tài)的位的不確定性表現(xiàn)為一個“fuzzball”，相干態(tài)是最接近經(jīng)典電磁場的量子態(tài)，其光數(shù)方差等于平均光子數(shù) 2 2 n ，稱之為散粒噪聲極限 SNL。

第一章 量子光學基礎(chǔ)1.2 壓縮態(tài)光場在圖 1.1 中，不確定區(qū)域是圓形的，即對應于振幅和相位在 X 和 Y 方向上的不確定程度是相同的，還有一種情況是在各個分量上具有不相等的不確定度分布，其中一個正交分量的方差增大的同時另一個正交分量的方差減小，如： 2 1 2 X ， （1.12） 2 1 2 Y ， （1.13）反之亦然，這種態(tài)被稱為壓縮態(tài)，壓縮態(tài)一直是量子光學領(lǐng)域非常感興趣的光源，它們在相圖上的正交分量的不確定區(qū)域為橢圓形狀，由于橢圓形狀的分布導致光場的相位起伏或振幅起伏低于 QNL。圖 1.2 分別展示了相位方差的降低和振幅方差的降低，其中橢圓占據(jù)的面積與相干態(tài)相同。

.3 相敏放大器的輸入態(tài)和輸出態(tài)：（a）輸入真空態(tài)，真空起伏處于 QNL；（b）輸出壓縮態(tài) Y分量噪聲減小，同時 X分量噪聲被放大。壓縮態(tài)光場本質(zhì)上減少了相位或振幅（或正交分量）的量子噪聲，該特性可以的應用于光測量實驗中。在經(jīng)典態(tài)光場的測量中，測量的準確度受到光的振幅位的散粒噪聲的限制，通常使用高功率的光源來提高信噪比，從而提高測量的度。但是高功率可能會損壞被測量物體，使用壓縮光源來替代高功率經(jīng)典光源光源量子噪聲水平的降低能提高測量的信噪比，并且在測量精度提高的同時不樣品造成任何損害。.2 雙模壓縮態(tài)光場經(jīng)典世界里，所有物體的態(tài)都可以獨立描述。在量子力學中，則可以引入一對組物體的關(guān)聯(lián)特性的概念，這組物體中的單個成員的量子態(tài)不可以獨立描述，是說這一對或一組粒子糾纏在一起�？梢允俏恢玫募m纏，產(chǎn)生時間的糾纏，光電場偏振的糾纏等。在我們的實驗系統(tǒng)中，將產(chǎn)生一對糾纏的孿生光束，并在

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本文編號：2765378