自發(fā)參量下轉換制備單光子源及其測量與應用研究.pdf

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

2、。此外，由于參量下轉換過程產(chǎn)生的光子對在多個維度上都具備糾纏特性，可以用來制備各種糾纏光源以滿足不同的應用。因此，自發(fā)參量下轉換過程及其制備的條件單光子源無論在理論還是實驗上都得到了廣泛且深入的發(fā)展。
　　單光子源的制備、傳輸與測量以及對單光子的量子操控是量子信息科學領域中的一個前沿課題，它不僅能夠豐富人們對微觀世界的認識，加深對量子物理基本原理的理解，還同時為量子通信與量子計算過程的實現(xiàn)提供了堅實的物理基礎。有關單光子量子效應的

3、研究對促進量子網(wǎng)絡的發(fā)展尤為重要，已經(jīng)滲透到了從光源產(chǎn)生到量子信息的調制與解調，再到信息分發(fā)及頻率轉換等量子網(wǎng)絡的各個環(huán)節(jié)，并且還將在其他量子領域逐漸發(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、傳輸和測量展開的，其核心內容包含以下幾個方面:
　　1.總結了實驗上產(chǎn)生單光子態(tài)的各種物理模型，對每種方法的利弊進行了分析并給出了自發(fā)參量下轉換過程產(chǎn)生單光子所具有的獨特優(yōu)勢;在此基礎上，實驗研究了利用脈沖光學諧振

4、腔增強了單光子產(chǎn)生率，得到了一個更加明亮的單光子源。
　　2.設計并研究了可以用來測量弱脈沖信號的平衡零拍探測系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的各項性能指標，并且對弱相干光脈沖進行了時域內正交分量信息的測量。
　　3.闡述了有關單光子的各種量子干涉效應，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，給出了一個普適的解并具體分析了在單光子態(tài)平衡零拍測量過程中的應用。
　　4.基于HOM干涉原理，利用時間反演的HOM過程實驗上實現(xiàn)了

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

6、脈沖光學諧振腔，在不改變脈沖超快重復率和頻率梳結構的情況下，極大地提高了二階非線性過程的參量增益，獲得了一個明亮的單光子源。
　　2.根據(jù)時間反演的HOM干涉原理，完成了確定性量子分束系統(tǒng)的設計與測量，可以將飛秒脈寬量級的、完全簡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、下轉換模型。與單次穿過方案中的頻率轉換模型相比，該方案更容易提高量子態(tài)頻率轉換效率，對具體的實驗具有一定的指導意義。該模型適合于