大氣湍流對光子軌道角動量及量子態(tài)偏振特性影響的研究.pdf

1、量子通信是量子力學(xué)和通信理論相結(jié)合產(chǎn)生的。自量子通信誕生30年來，已經(jīng)從理論構(gòu)想向?qū)嵱玫难芯糠较蜻^渡。由于量子通信無論在增強信息傳輸?shù)陌踩苑矫?，還是在提高信息的通道容量以及傳輸效率等方面都具有巨大的潛力和深遠的應(yīng)用前景，使量子通信逐步成為當(dāng)前研究和開發(fā)的熱點。
　　量子信道分為光纖和自由空間兩種方式。由于光纖固有的損耗（雙折射、背景噪聲等）極大的限制了量子信息的傳輸距離，使光子在光纖中的傳輸距離很難得到進一步擴展;與光纖相比自由

2、空間中進行量子信息傳輸是一個行之有效的方式?；谧杂煽臻g的量子信息傳輸損耗小，而且大氣本質(zhì)上不存在雙折射等優(yōu)點，都為基于自由空間的全球量子通信奠定了基礎(chǔ)。
　　然而地空間的自由空間量子通信工作于大氣信道中，大氣湍流的隨機變化引起湍流介質(zhì)的折射率起伏會導(dǎo)致傳輸光波的波前扭曲和振幅起伏，不僅會改變量子疊加態(tài)的相對相位，使其變成無規(guī)則的分布狀態(tài)，還會使信號的能量降低，出現(xiàn)比特翻轉(zhuǎn)錯誤，以及相位-比特聯(lián)合翻轉(zhuǎn)等錯誤。
　　本論文主要

3、研究內(nèi)容是光子軌道角動量在大氣信道中傳輸?shù)募m纏演化過程，及兩個正交偏振模式的部分相干中空光束的量子態(tài)在大氣湍流中傳輸?shù)牧孔悠駶q落。具體可以分為以下三個部分:
　　1.建立了雙光子軌道角動量糾纏態(tài)大氣傳輸?shù)臄?shù)值仿真模型，模擬了處于軌道角動量糾纏態(tài)的雙光子在non-Kolmogorov湍流中的退相干過程。討論了光子不同軌道角動量量子數(shù)和湍流參數(shù)對雙光子軌道角動量糾纏態(tài)演化的影響。研究結(jié)果表明光子軌道角動量量子數(shù)、湍流的譜指數(shù)、湍流的

4、外尺度對雙光子軌道角動量糾纏態(tài)的影響很大;湍流的內(nèi)尺度對雙光子軌道角動量糾纏態(tài)的影響卻很小。此研究結(jié)果為進一步研究基于光子軌道角動量糾纏態(tài)的高維自由空間量子通信提供了理論基礎(chǔ)。
　　2.理論研究了三光子軌道角動量糾纏態(tài)在Kolmogorov湍流和non-Kolmogorov湍流中的退相干過程。分析了處于軌道角動量糾纏態(tài)的三光子傳輸經(jīng)過湍流介質(zhì)的糾纏演化過程，并用共生糾纏度的平方度量三光子糾纏態(tài)的糾纏程度。討論了輸出三光子糾纏態(tài)相對

5、于輸入三光子糾纏態(tài)的保真度。得到以下結(jié)果:當(dāng)攜帶軌道角動量信息的拉蓋爾高斯光束傳輸經(jīng)過弱湍流，三光子軌道角動量糾纏態(tài)的軌道角動量量子數(shù)越大，受大氣湍流的影響就越小;光束的束腰寬度越窄，三光子軌道角動量糾纏態(tài)的保真度就越好。此研究結(jié)果與雙光子軌道角動量糾纏態(tài)中得到的結(jié)果一致。
　　3.理論研究了兩個正交偏振模式的部分相干中空光束的光子數(shù)態(tài)和相干態(tài)傳輸經(jīng)過大氣湍流的偏振特性。得到了兩個正交偏振模式光場的光子數(shù)態(tài)和相干態(tài)偏振度的理論表達