發(fā)布時間：2020-10-15 02:43

　　 自上個世紀(jì)以來,量子力學(xué)和信息科學(xué)產(chǎn)生了一個交叉學(xué)科：量子信息科學(xué)。在這個領(lǐng)域中,量子通訊可以實現(xiàn)絕對安全的信息傳遞,正在成為各個國家激烈競爭的下一代安全通信體系的焦點(diǎn),并極有可能對人類社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。經(jīng)典通訊中,信息以直接放大的中繼方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸；量子通訊則需要利用量子存儲和糾纏交換技術(shù)實現(xiàn)量子信息的遠(yuǎn)距離中繼傳輸。所以,量子存儲器作為一個關(guān)鍵的量子邏輯器件實現(xiàn)信息的儲存和釋放,實現(xiàn)量子存儲是量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)通訊的關(guān)鍵技術(shù)之一,它直接影響量子通訊的可行性。如何通過提高存儲器的容量和速率來高效地進(jìn)行量子通訊成為目前的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。在提高量子存儲容量方面,基于軌道角動量(OAM)的光場的量子存儲能夠顯著提升量子網(wǎng)絡(luò)的信息容量,對構(gòu)建高容量信息網(wǎng)絡(luò)具有重大意義；在高速率的量子存儲方面,拉曼存儲方案具備存儲大帶寬光子的潛力,對實現(xiàn)高速量子網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要；所以本論文主要以實現(xiàn)高速、高容量的量子存儲為目標(biāo)開展實驗研究,重點(diǎn)在于實驗研究軌道角動量存儲、基于拉曼協(xié)議的存儲等等。本論文的工作對于未來實現(xiàn)高容量、高速的量子通訊具有非常前景的研究意義。 本論文主要有以下幾部分內(nèi)容： 1.實驗研究攜帶圖像信息的單光子的量子存儲。通過激光冷卻技術(shù)制備了兩個冷原子系綜,利用其中一個冷原子系綜自發(fā)拉曼過程制備標(biāo)記單光子,并利用螺旋相位片使該光子攜帶OAM,并具有特殊的空間結(jié)構(gòu)。然后利用電磁誘導(dǎo)透明(EIT)存儲方案實現(xiàn)對OAM以及它的疊加態(tài)在另外一個原子系綜的量子存儲,結(jié)果證明單光子攜帶的OAM及其疊加態(tài)都可以被高保真地保存。 2.探索存儲高維量子態(tài)的實驗研究。在實現(xiàn)存儲攜帶OAM的單光子的基礎(chǔ)上,使用空間光調(diào)制器實現(xiàn)對輸入光子高維編碼,再利用空間光調(diào)制器和單模光纖對存儲恢復(fù)出來的光子進(jìn)行投影測量,如此便實現(xiàn)了對單光子高維態(tài)的編碼、存儲以及測量的全過程。為了驗證單光子三維疊加態(tài)存儲的可行性,我們使用了9個OAM空間模式對存儲前后的量子態(tài)進(jìn)行量子層析測量,實驗結(jié)果得出：我們的存儲器可以很好地儲存三維疊加態(tài)。更進(jìn)一步地,我們考慮了兩個特殊的光子三維疊加態(tài)的存儲情況,實驗結(jié)果顯示存儲前后量子態(tài)能也能很好地保持。 3.實驗研究基于二維軌道角動量糾纏的量子存儲。實驗上,我們制備了兩個冷原子系綜,在其中一個冷原子系綜中采用自發(fā)拉曼過程制備了單光子與原子系綜之間的OAM糾纏。而后利用Raman存儲協(xié)議將該單光子存儲于另一個作為存儲介質(zhì)的冷原子系綜中,從而實現(xiàn)了OAM糾纏在兩個原子系綜之間的存儲。為了檢驗糾纏特性,我們將原子系綜之間的糾纏轉(zhuǎn)移到光子之間。利用量子層析技術(shù)重構(gòu)了存儲前后糾纏態(tài)的密度矩陣,通過計算存儲保真度、驗證雙光子CHSH不等式和檢驗雙光子干涉可視度來表征糾纏程度。實驗結(jié)果清晰地表明OAM糾纏可以被高保真地儲存。 4.開展存儲高維糾纏的實驗研究。利用自發(fā)拉曼過程,在其中的一個原子團(tuán)中制備光子和原子系綜的高維OAM糾纏態(tài)。通過拉曼存儲協(xié)議在另外一個原子團(tuán)中存儲單光子,直接建立兩個原子系綜的高維糾纏。實驗中,通過構(gòu)建高維糾纏的witness來驗證存儲前后糾纏的維數(shù),實驗結(jié)果得出：在測量11個OAM模式的情況下,制備了8維的糾纏,存儲恢復(fù)出來還有7維糾纏。 5.實驗研究了光子偏振糾纏的拉曼存儲。我們實現(xiàn)了兩個存儲過程：1.存儲標(biāo)記單光子路徑和偏振的混合糾纏。2.光子偏振糾纏的拉曼存儲。第一個過程利用自發(fā)拉曼過程產(chǎn)生標(biāo)記單光子,通過相位不敏感的Sagnac干涉儀對光子進(jìn)行路徑和偏振的編碼,之后進(jìn)行量子存儲。第二個過程利用主動鎖定的干涉儀制備光子偏振和原子系綜糾纏,再通過Sagnac干涉儀實現(xiàn)對任意光子偏振態(tài)的存儲,建立兩個原子系綜的糾纏。最后通過量子層析技術(shù)測得密度矩陣,并計算出存儲保真度。 本論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)有： 1.在國際上首次實現(xiàn)了攜帶OAM及二維OAM疊加態(tài)的單光子量子存儲。實驗結(jié)果顯示：經(jīng)過螺旋相位片編碼的標(biāo)記單光子能夠在我們的存儲器中很好地被存儲和恢復(fù),而且空間相干性在存儲前后也能得到保持。我們的實驗開創(chuàng)了量子存儲領(lǐng)域里新的研究方向,給量子存儲提出了新的挑戰(zhàn)。 2.在國際上首次實現(xiàn)單光子高維態(tài)的量子存儲,實驗中單光子被編碼在三維OAM疊加態(tài)上。利用我們的存儲器,編碼在三維空間中的單光子能夠被很好的存儲和恢復(fù)。同時,我們還探討了高OAM量子數(shù)的存儲情況,并得出結(jié)論：在存儲單光子更高維的量子態(tài)時,我們需要考慮不同OAM存儲效率的不同影響。 3.在國際上首次完成二維OAM糾纏的量子存儲實驗。通過自發(fā)拉曼過程制備OAM糾纏,并且利用拉曼存儲協(xié)議進(jìn)行存儲,成功建立了兩個原子系綜的OAM糾纏。實驗結(jié)果展示了基于OAM高維網(wǎng)絡(luò)的首個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),此項工作對未來實現(xiàn)高維量子網(wǎng)絡(luò)具有重大的實驗參考價值。 4.在國際上首次實現(xiàn)高維OAM糾纏的量子存儲。第一次利用一個原子系綜制備OAM的高維糾纏態(tài),通過拉曼存儲協(xié)議對高維糾纏進(jìn)行量子存儲,建立了兩個原子系綜的OAM高維糾纏。實驗成功實現(xiàn)存儲8維的糾纏,恢復(fù)7維糾纏。實驗結(jié)果證明了高維量子通訊的可行性。 5.在國際上首次利用拉曼存儲機(jī)制實現(xiàn)偏振糾纏態(tài)的量子存儲。我們完成了單光子偏振和路徑的混合糾纏的存儲以及兩光子偏振糾纏的存儲實驗。實現(xiàn)偏振糾纏的拉曼存儲對未來基于光纖的高速量子通訊具有重大意義。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：O413.1;TP333
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
目錄
第1章 緒論
    1.1 量子通訊簡介
    1.2 量子存儲簡介
        1.2.1 衡量量子存儲的指標(biāo)
        1.2.2 存儲介質(zhì)以及量子存儲方案
        1.2.3 軌道角動量光場存儲簡介
    1.3 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第2章 單光子軌道角動量和二維疊加態(tài)量子存儲
    2.1 研究背景
    2.2 實驗內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第3章 單光子高維態(tài)的量子存儲
    3.1 研究高維態(tài)存儲的背景
    3.2 實驗內(nèi)容
        3.2.1 存儲前后的圖像成像
    參考文獻(xiàn)
第4章 二維軌道角動量糾纏拉曼存儲
    4.1 研究背景
    4.2 實驗內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第5章 高維糾纏態(tài)的拉曼存儲
    5.1 高維糾纏存儲的研究意義
    5.2 高維糾纏存儲的實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第6章 偏振糾纏的拉曼存儲
    6.1 拉曼存儲偏振糾纏的研究意義
    6.2 拉曼存儲偏振糾纏的實驗內(nèi)容
        6.2.1 存儲偏振和路徑混合糾纏的單光子
        6.2.2 存儲光子偏振和原子線性角動量糾纏
    6.3 存儲窄脈沖的單光子
    6.4 遠(yuǎn)失諧條件存儲單光子
    參考文獻(xiàn)
第7章 總結(jié)和展望
致謝
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2841568