基于原子系綜的多自由度糾纏存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近三十年來(lái)量子力學(xué)的理論逐漸應(yīng)用于自然科學(xué)的各個(gè)方面，對(duì)不同學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用，同時(shí)它本身也得到了極大豐富和發(fā)展，并與其它學(xué)科結(jié)合形成了一些新的交叉學(xué)科。量子信息科學(xué)就是在這樣的形式下應(yīng)運(yùn)而生了。利用量子信息技術(shù)，科學(xué)家有望實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的量子通信和遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)。在量子通信中，信息通過(guò)糾纏交換和量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離中繼傳輸;而在量子計(jì)算中，信息需要經(jīng)過(guò)量子存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子信息處理過(guò)程。因此量子存儲(chǔ)在量子信息科學(xué)

2、中具有非常重要的作用，它直接決定長(zhǎng)距離量子通信和復(fù)雜量子計(jì)算的可行性。在量子信息中，糾纏信息一般加載在光子的不同自由度上。目前基于單個(gè)自由度糾纏的量子存儲(chǔ)在不同體系中均有進(jìn)展。然而通用、大容量量子通信和量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)需要存儲(chǔ)多自由度的量子糾纏，因而實(shí)現(xiàn)多自由度糾纏的量子存儲(chǔ)是目前量子信息領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本論文以實(shí)現(xiàn)多自由度糾纏存儲(chǔ)為目標(biāo)，主要開(kāi)展了基于原子系綜體系制備各種不同自由度的糾纏源和實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度量子糾纏存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究。本論文

3、的研究工作對(duì)于通用、大容量量子計(jì)算和量子通信的實(shí)現(xiàn)具有重要的參考價(jià)值。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.實(shí)驗(yàn)研究了基于原子系綜的不同自由度糾纏光源的制備。介紹了各種不同自由度糾纏光源的產(chǎn)生方法和光源制備的核心-自發(fā)四波混頻(SFWM)過(guò)程，闡明了在梯形、雙λ形和菱形能級(jí)中SFWM的光路設(shè)計(jì)，并以熱原子梯形能級(jí)為例，詳細(xì)介紹了非經(jīng)典780 nm-776 nm光子對(duì)的產(chǎn)生和非經(jīng)典特性的驗(yàn)證。
　　2.探索了偏振自由

4、度下雙色糾纏光源在原子系綜中的產(chǎn)生和存儲(chǔ)。在冷原子系綜中成功制備雙色偏振糾纏光源的基礎(chǔ)上，我們將糾纏光源中的紅外光子耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸，將可見(jiàn)光子導(dǎo)入第二個(gè)冷原子系綜中，并利用一種增強(qiáng)型電磁誘導(dǎo)透明(EIT)存儲(chǔ)方案進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙色偏振糾纏可以被高保真的存儲(chǔ)于原子系綜中。
　　3.實(shí)驗(yàn)研究了基于DLCZ協(xié)議位置-動(dòng)量基Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏存儲(chǔ)。利用激光冷卻制備的冷原子團(tuán)，在原子系綜

5、中通過(guò)SRS過(guò)程，產(chǎn)生了在位置-動(dòng)量EPR糾纏的單光子和原子自旋波，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間存儲(chǔ)后，將自旋波讀出為單光子，然后通過(guò)鬼成像和鬼干涉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明位置-動(dòng)量EPR糾纏可以有效的存儲(chǔ)于冷原子系綜中。
　　4.實(shí)驗(yàn)研究了在偏振自由度和軌道角動(dòng)量（OAM）自由度下多自由度糾纏的量子存儲(chǔ)。包含兩個(gè)過(guò)程:第一過(guò)程是利用兩個(gè)冷原子系綜，在第一個(gè)原子系綜中通過(guò)SRS過(guò)程，在馬赫曾德(MZ)干涉儀的輔助下，制備單光子與原子自旋波的超糾纏，并

6、將單光子導(dǎo)入第二個(gè)原子系綜中進(jìn)行存儲(chǔ)，從而建立兩個(gè)原子系綜之間的超糾纏;第二個(gè)過(guò)程利用SRS過(guò)程和Sagnac干涉儀，制備單光子OAM態(tài)與第一個(gè)原子系綜中原子自旋波的在不同自由度的雜化糾纏，再將該單光子存儲(chǔ)在第二個(gè)原子系綜中，從而制備兩個(gè)原子系綜在多自由度上的雜化糾纏。實(shí)驗(yàn)上通過(guò)構(gòu)建密度矩陣、檢驗(yàn)Clauser-Horne-Shimony-Holt(CHSH)類型貝爾不等式的違背、刻畫(huà)干涉曲線、驗(yàn)證糾纏Witness等方式，驗(yàn)證了存儲(chǔ)前

7、后的糾纏。
　　本論文的特色和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.系統(tǒng)全面地介紹了基于原子系綜的梯形、雙λ形和菱形能級(jí)利用SFWM過(guò)程產(chǎn)生非經(jīng)典光源和不同自由度糾纏光源的一般方法。
　　2.首次實(shí)現(xiàn)了雙色偏振糾纏光子對(duì)的量子存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)演示了長(zhǎng)距離量子通信中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能:將一對(duì)雙色糾纏光子中的一個(gè)光子存儲(chǔ)在原子系綜中，另一個(gè)紅外光子導(dǎo)入光纖中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，建立了原子自旋波與紅外光子之間的糾纏。由于紅外光子在光纖中具有低損耗傳輸

8、的特性，因此這種方案能夠減少長(zhǎng)距離量子通信所需要的中繼個(gè)數(shù)，對(duì)未來(lái)基于光纖的長(zhǎng)距離量子通信具有重要參考價(jià)值。
　　3.首次在冷原子系綜中完成了對(duì)位置動(dòng)量基矢下的EPR糾纏的量子存儲(chǔ)。在一個(gè)原子系綜中通過(guò)自發(fā)拉曼散射實(shí)現(xiàn)可存儲(chǔ)的原子自旋波和單光子的ERP位置動(dòng)量糾纏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光子的位置動(dòng)量EPR糾纏能夠被高保真的存儲(chǔ)。這可以用于基于空間復(fù)用的量子信息處理過(guò)程。
　　4.首次利用偏振自由度和軌道角動(dòng)量自由度實(shí)現(xiàn)了超糾纏和雜