多色多組份糾纏及高階橫模糾纏態(tài)的研究.pdf

1、量子光學（quantum optics）是以量子力學的方法研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測及光與物質(zhì)相互作用的學科。量子光學的理論研究已經(jīng)歷了一個多世紀，早在1900年普朗克提出了輻射場的量子論，成功地解釋了黑體輻射問題，1905年，愛因斯坦把量子論貫穿整個輻射和吸收過程，提出的光量子理論，圓滿解釋了光電效應，并為后來的康普頓實驗所證實;解釋了普朗克黑體輻射公式，提出了光與原子相互作用時發(fā)生的三種物理過程，自發(fā)輻射，受激輻射，受激吸收。這些研究

2、為二十世紀六十年代激光的產(chǎn)生奠定了基礎。激光器能提供與普通熱光場有著本質(zhì)區(qū)別相干態(tài)光場為量子光學實驗的發(fā)展開辟了新的道路。到今天，量子光學的理論和實驗研究分別獲得了驚人的成績和長足的發(fā)展，尤其是在非經(jīng)典光場的產(chǎn)生和應用方面，是量子信息科學與技術的重要基礎與支撐。
　　一般來說，非經(jīng)典光場擁有經(jīng)典光場所沒有的量子特性，例如表現(xiàn)在噪聲和統(tǒng)計學性質(zhì)等方面。例如壓縮態(tài)、糾纏態(tài)光場。壓縮糾纏態(tài)光場的噪聲能突破經(jīng)典光所能達到的極限、擁有熱光場

3、所沒有的量子關聯(lián)，可廣泛應用于引力波探測，量子保密通訊等許多方面，是量子光學量子信息領域最重要、最基本的量子資源，也是量子光學領域熱門的研究方向之一。近些年隨著量子光學與量子信息的發(fā)展，空間量子光學與量子信息也取得了一系列重要進展。空間壓縮糾纏態(tài)光場能提供空間上的量子關聯(lián)特性，不同于一般的基于TEM00模的糾纏態(tài)光場，僅僅是時間尺度上的量子糾纏。因此空間壓縮糾纏態(tài)光場在空間信息傳輸、超高精細度的測量、量子成像及圖像傳輸、量子全息術、無噪

4、聲圖像放大等方面有重要的應用前景。
　　目前，壓縮糾纏態(tài)光場也是量子光學領域熱門的研究方向之一。
　　本文主要理論上研究了利用雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏態(tài)光場;理論上設計構(gòu)造了周期極化晶體PPKTP產(chǎn)生銫原子吸收線和通訊波段的兩組份糾纏光;利用同時性準相位匹配技術理論上實現(xiàn)含銣原子吸收線的三色糾纏;實驗上使用簡并的光學參量放大器產(chǎn)生TEM00模和TEM01模壓縮態(tài)光場以及TEM01模糾纏態(tài)光場。主要內(nèi)容分為以下五個部分:<

5、br>　　1)簡要地從量子力學和量子光學的聯(lián)系及各自的發(fā)展做了回顧。介紹了兩類非經(jīng)典光場，基于TEM00模的壓縮態(tài)和糾纏態(tài)光場和基于高階橫模的空間壓縮態(tài)和空間糾纏態(tài)光場，并介紹了上述光場的量子特性及應用。
　　2)對二階非線性材料的雙折射相位匹配和準相位匹配做了簡要介紹，研究計算了實驗中所用的532-1064nmPPKTP晶體準相位匹配的周期結(jié)構(gòu)及下轉(zhuǎn)換波長與匹配溫度的關系;理論上從量子郎之萬方程出發(fā)計算了通過簡并的光學參量放大器

6、產(chǎn)生的壓縮態(tài)光場的經(jīng)典和量子噪聲特性，簡要介紹了利用分束器耦合兩束正交振幅壓縮態(tài)光場產(chǎn)生糾纏態(tài)光場的方案。
　　3)理論上研究了利用雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏態(tài)光場，給出了從腔的兩個輸出耦合鏡產(chǎn)生的兩束倍頻光的量子糾纏特性以及兩束倍頻場和反射基頻場的三組分糾纏，分別使用van Loock和Furusawa提出的連續(xù)變量三組分糾纏的不可分性充分判據(jù)和部分轉(zhuǎn)置矩陣的最小本征值判據(jù)分析了三個光場的糾纏特性。
　　4)理論設計和構(gòu)

7、造了單周期極化晶體PPKTP。550nm泵浦內(nèi)置PPKTP的光學參量振蕩器產(chǎn)生852.37nm和1550.42nm的雙色糾纏光，糾纏光的波長分別對應銫原子吸收線和通訊波長;理論研究了利用兩個光學參量過程在同一周期中同時性準相位匹配技術構(gòu)造周期極化晶體產(chǎn)生銣原子吸收線的多色三組份糾纏。介紹了在同一個周期內(nèi)如何實現(xiàn)兩個不同的光學參量過程同時滿足準相位匹配。
　　5)從理論和實驗上簡要介紹了高階厄米高斯橫模的產(chǎn)生機理及實驗上一般采用的產(chǎn)

8、生方法。實驗上利用光學參量放大器產(chǎn)生壓縮度為2.8 dB的TEM00模和2.2dB的TEM01模的壓縮態(tài)光場，實驗上利用兩束TEM01模的壓縮態(tài)光場通過分束器耦合產(chǎn)生TEM01模的糾纏光場，測得正交振幅之和噪聲低于散粒噪聲基準1.5dB，正交位相之差低于散粒噪聲基準1.2dB。
　　攻讀博士期間所做的工作中，具有創(chuàng)新點的有以下幾部分:
　　1.理論上提出通過雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏，并用部分轉(zhuǎn)置矩陣本征值方法對其進行判定