多光子態(tài)的干涉和區(qū)分.pdf

1、光學，作為一種工具，早已被廣泛應用于各種科學研究中．特別是在激光被發(fā)明后，很多重要的研究和發(fā)現(xiàn)都是以它為基礎完成的．同樣，光學也推動著物理學，尤其是近代物理學的發(fā)展．如對光場輻射的研究直接導致了量子力學的產(chǎn)生，使得人類進入量子時代．自上個世紀80年代開始，誕生了一種建立在量子力學基本原理上的信息處理方法一量子信息．在此量子信息理論中，量子力學的量子態(tài)疊加理論和測量塌縮理論保證了量子密鑰分配的安全；同樣量子態(tài)疊加理論和演化理論使得量子計算

2、可以并行工作，其效率將遠優(yōu)于普通電子計算機． 在實驗上，人們嘗試著在多種物理體系上實現(xiàn)量子通訊和量子計算．而光學方法因為其獨特的優(yōu)點，較其他方法發(fā)展更快．首先，光子的易傳輸性是其他物理體系不具備的．因此在實際量子密鑰分配中，幾乎都使用光子作為信息載體．其次，成熟的非線性光學手段和良好的激光光源使得光子態(tài)制備變的容易．最后，對于光子態(tài)的精密控制和探測也使得人們容易完成不同的量子操控方案．所以，諸如量子密鑰分配，量子力學非局域性檢驗

3、，量子隱形傳態(tài)等一系列實驗都是首先利用光子完成． 實際上，用在量子信息中的光子操作在物理本質上就是某種光子干涉，都是建立在某些干涉模型上的．如單光子實際的量子密鑰分配的光學部分就是一種單光子干涉；而利用線性光學方法來完成的量子計算方案是多光子干涉．因此對光子干涉本身的研究將為其在量子信息中的應用提供更好的方法．反過來，光子干涉也是一種量子操作過程．我們可以利用量子信息的語言來描述和分析干涉．例如光子干涉時對態(tài)的轉換可以表示成量子

4、信息中的量子比特操作；而其干涉可見度的不同就是量子信息中的消相于作用的結果． 目前量子信息科學中最常用多光子源是用光學參量下轉換產(chǎn)生的．本博士論文討論了由該過程產(chǎn)生光子之間的干涉和態(tài)的可區(qū)分性，以及在量子信息中的應用．具體有以下幾個主要內容： 1．光子干涉的本質以及在量子信息中的應用我們揭示了光子干涉的本質是光子的不可區(qū)分性．只要存在不可區(qū)分性，不僅單光子會發(fā)生干涉，雙光子以及多光子同樣會發(fā)生干涉．利用此觀點，討論了不同

5、的單光子，雙光子和多光子干涉；并進一步討論了這些干涉在量子信息，量子計算和量子測量中的應用． 2．同路徑多個光子態(tài)的干涉和可區(qū)分性我們首先研究了同路徑多光子偏振態(tài)的旋轉特性．因為在旋轉操作中，多個光子之間相互干涉，其結果將顯示與單光子完全不同的現(xiàn)象．為了進一步研究此類多光子干涉，我們構造了雙模多光子態(tài)投影測量，包括光子數(shù)最大糾纏態(tài)(NOON態(tài))投影測量．利用光子數(shù)最大糾纏態(tài)(NOON態(tài))投影測量，我們可以用參量下轉換產(chǎn)生的多光子

6、對演示多光子德布羅意波長；在高精度量子相位測量中，我們直接用參量下轉換產(chǎn)生的多光子對和相應的多光子態(tài)投影測量得到量子力學所允許的最好相位精度-海森堡極限．此外，利用NOON態(tài)投影測量可以完成廣義的多光子Hong-Ou-Mandel干涉，并干涉結果與光子態(tài)的可區(qū)分性一一對應． 3．受激輻射和光子聚束我們利用參量下轉換過程，在實驗上直接觀測到了光子受激輻射引起的光子聚束現(xiàn)象．進一步，我們從理論和實驗上揭示了由受激輻射產(chǎn)生的光子聚束與

7、光子干涉產(chǎn)生的光子聚束本質都來自于光子的不可區(qū)分性．而光子的不可區(qū)分性是因為與其他光子或自由度存在糾纏，因此我們在實驗上利用受激輻射得到的兩個雙光子態(tài)的贗拷貝測量了該雙光子態(tài)的糾纏． 4．多自由度的光子干涉與糾纏所有的光子干涉都可以認為是量子計算的結果．光子干涉中會牽涉到多個自由度以及多個光子．我們利用量子計算的語言加上光子的交換對稱性重新描述了這些干涉，并討論了光子態(tài)中的糾纏．存在于不同自由度之間或不同光子之間的糾纏會引起自由