自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換制備單光子源及其測(cè)量與應(yīng)用研究.pdf

1、單光子態(tài)是一種非常重要的非經(jīng)典光場(chǎng)，它在量子光學(xué)基礎(chǔ)研究、量子保密通訊和量子計(jì)算等領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。常見(jiàn)的制備單光子態(tài)的方法主要有量子點(diǎn)、色心、衰減脈沖和自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換。與其他方法相比，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。該過(guò)程利用二階非線性相互作用，將泵浦光子轉(zhuǎn)換成一對(duì)高度關(guān)聯(lián)的光子對(duì)，只要測(cè)到其中之一，就可以確認(rèn)其孿生光子的存在。這樣，我們就可以在不破壞單光子的前提下確認(rèn)單光子的存在，從而彌補(bǔ)了原子相干介質(zhì)和衰減脈沖等方法的不足

2、。此外，由于參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的光子對(duì)在多個(gè)維度上都具備糾纏特性，可以用來(lái)制備各種糾纏光源以滿足不同的應(yīng)用。因此，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程及其制備的條件單光子源無(wú)論在理論還是實(shí)驗(yàn)上都得到了廣泛且深入的發(fā)展。
　　單光子源的制備、傳輸與測(cè)量以及對(duì)單光子的量子操控是量子信息科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)前沿課題，它不僅能夠豐富人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)量子物理基本原理的理解，還同時(shí)為量子通信與量子計(jì)算過(guò)程的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。有關(guān)單光子量子效應(yīng)的

3、研究對(duì)促進(jìn)量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展尤為重要，已經(jīng)滲透到了從光源產(chǎn)生到量子信息的調(diào)制與解調(diào)，再到信息分發(fā)及頻率轉(zhuǎn)換等量子網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且還將在其他量子領(lǐng)域逐漸發(fā)揮其潛在的巨大作用。
　　本文的主要工作是圍繞單光子源的制備、傳輸和測(cè)量展開(kāi)的，其核心內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面:
　　1.總結(jié)了實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生單光子態(tài)的各種物理模型，對(duì)每種方法的利弊進(jìn)行了分析并給出了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生單光子所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì);在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究了利用脈沖光學(xué)諧振

4、腔增強(qiáng)了單光子產(chǎn)生率，得到了一個(gè)更加明亮的單光子源。
　　2.設(shè)計(jì)并研究了可以用來(lái)測(cè)量弱脈沖信號(hào)的平衡零拍探測(cè)系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并且對(duì)弱相干光脈沖進(jìn)行了時(shí)域內(nèi)正交分量信息的測(cè)量。
　　3.闡述了有關(guān)單光子的各種量子干涉效應(yīng)，用經(jīng)典物理工具描述了單光子與多光子干涉的物理原理，給出了一個(gè)普適的解并具體分析了在單光子態(tài)平衡零拍測(cè)量過(guò)程中的應(yīng)用。
　　4.基于HOM干涉原理，利用時(shí)間反演的HOM過(guò)程實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了

5、一個(gè)確定性量子分束器，用一個(gè)普通的分束器將完全簡(jiǎn)并的光子對(duì)以較高的概率進(jìn)行空間上的分離;被分束脈沖的時(shí)間精度從皮秒量級(jí)提高到了飛秒量級(jí)。
　　5.提出了諧振腔內(nèi)的量子態(tài)頻率轉(zhuǎn)換方案，通過(guò)引入保真度、信號(hào)傳輸系數(shù)和能量轉(zhuǎn)換效率的概念定義了頻率轉(zhuǎn)換效率并找到了量子態(tài)的完全頻率轉(zhuǎn)換條件，同時(shí)分析了信號(hào)光振幅、泵浦參量以及內(nèi)腔損耗等因素對(duì)頻率轉(zhuǎn)換效率的影響。
　　在這些研究工作中，屬于創(chuàng)新性的工作有以下幾點(diǎn):
　　1.利用超短

6、脈沖光學(xué)諧振腔，在不改變脈沖超快重復(fù)率和頻率梳結(jié)構(gòu)的情況下，極大地提高了二階非線性過(guò)程的參量增益，獲得了一個(gè)明亮的單光子源。
　　2.根據(jù)時(shí)間反演的HOM干涉原理，完成了確定性量子分束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)量，可以將飛秒脈寬量級(jí)的、完全簡(jiǎn)并的雙光子從空間上徹底分離。
　　3.提出了基于諧振腔的量子態(tài)頻率上、下轉(zhuǎn)換模型。與單次穿過(guò)方案中的頻率轉(zhuǎn)換模型相比，該方案更容易提高量子態(tài)頻率轉(zhuǎn)換效率，對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義。該模型適合于