基于原子系综的量子网络研究

发布时间：2020-10-26 02:03

　　 量子信息科学是量子力学和信息科学的交叉学科,近年来伴随着量子信息技术的迅猛发展,量子网络的构建倍受科学家关注。量子网络由许多节点和通道组成,它的实现需要产生和表征节点间的量子相干和纠缠。量子网络的基础是量子互连,它以可逆的方式将量子态从一个物理系统转换到另一个物理系统。量子网络中的这种量子连通性可以通过光和原子的相互作用来实现,从而允许纠缠在网络上分布以及量子态在节点之间传输。因此,量子网络的构建首先需要制备在量子节点间传输的量子态,即可以和节点相互作用的非经典光场的制备;接着将制备的非经典光场与节点相互作用,实现量子态的转移,以构建非局域的节点间纠缠。在连续变量领域,通常利用光学参量过程实现非经典光场的制备,它的非经典特性一般用光场的正交分量或偏振分量间的量子纠缠来描述。其中光场的偏振分量和原子的自旋波均可以用斯托克斯算符来描述,这样更有利于讨论光场和原子的相互作用,并且光场偏振分量的测量不需要本地振荡光,因此我们开展了对偏振非经典光场的制备和应用研究。量子态是量子信息处理的基本元素。在远距离量子通信中,无论是光纤还是大气介质中,量子态会受到外界环境的影响引入损耗而使其量子特性降低。量子中继将量子存储﹑纠缠蒸馏以及纠缠交换几个基本原理结合,克服了由于远距离传输引入的一系列损耗,原子节点可以作为量子中继器。量子存储可以实现不同物理系统间量子态的转移,并且与纠缠蒸馏和纠缠交换相结合为量子网络的构建提供了有利条件。本文的主要研究内容如下:1.建立了偏振压缩光场和偏振纠缠光场的制备系统,包括一个外部倍频腔和三个光学参量放大器。外腔倍频系统产生的二次谐波用作光学参量放大器的泵浦光。实验中,分别利用一个﹑两个和三个简并光学参量放大器产生了正交压缩态光场﹑EPR纠缠态光场以及三组份GHZ纠缠态光场,并且经过偏振分束棱镜耦合后将其转换为偏振压缩和纠缠态光场。2.理论提出了实现双原子系综纠缠的方案。首先利用拉曼机制实现两组独立的光与原子混合纠缠,然后利用纠缠交换技术实现两个原子系综之间纠缠。3.实验制备了连续变量三组份GHZ纠缠态光场,并在三个距离为2.6米的铷原子系综中利用EIT机制实现了三组份纠缠态光场的存储,通过量子态映射的方法建立了三个原子系综间的量子纠缠。随后,将被存储的纠缠光场通过三个光学通道释放,通过对释放光场关联方差的测量验证了原子系综间量子纠缠的存在。4.量子网络的发展依赖于远距离量子节点之间高质量的纠缠,在实际应用中不可避免的退相干限制了纠缠的质量。将一对EPR纠缠光通过量子通道分发到两个独立的原子系综建立原子系综的纠缠后,二次制备EPR纠缠光场与有关联的两个原子系综再次干涉实现原子系综的纠缠蒸馏。该方案仅需原子系综量子存储以及平衡零拍探测,克服了由于远距离传输可能引入的相位噪声,实现了更高量子关联度的原子系综间的纠缠,而且该方案可以拓展到更多组份的原子系综之间,用来蒸馏和纯化多个节点间的纠缠。5.高效率的量子存储可以用于量子计算﹑量子网络以及纠缠蒸馏等方面。理论研究并分析了腔增强连续变量量子纠缠存储的模型,并且在实验中将热原子系综放置在光学谐振腔内,通过增强光和原子之间的相互作用,提高光学存储效率。所完成的研究工作创新之处如下:1.实验制备的与铷原子D1吸收线对应的偏振非经典光场,可以直接和原子系综相互作用,并且偏振分量的量子噪声的测量不需要本地振荡光,降低了测量系统的复杂性。并且可以将实验方案扩展到多组份偏振纠缠光场的制备。2.首次在实验上利用量子态映射的方法实现了三个远距离原子系综之间的确定性纠缠,而且实验方案引入的额外噪声小,可以方便拓展到多个量子节点。3.理论上提出了仅需要高斯操作和平衡零拍探测技术就可以实现的原子系综间的连续变量纠缠蒸馏,避免了较为复杂的非高斯操作和效率较低的单光子探测。
【学位单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O431.2;O562
【部分图文】：

量子网络

腔QED中量子态的转移

原子系综中量子态的纠缠分发实现光和物质强耦合的是腔量子电动力学，在光学和微波领域，利用具有小腔
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本文编号：2856322