利用光纤中自发四波混频产生纠缠光子的实验装置

基于三阶非线性Kerr效应在光纤中产生非线性现象的理论,利用零色散位移光纤中的自发四波混频通过两种实验装置产生了纠缠光子：一种是采用脉冲光抽运由光纤构成的Sagnac光纤环;另一种是采用脉冲光直接抽运一段光纤.通过对不同装置下实验结果的比较,总结了产生高纯度纠缠光子所需的实验条件,并指出了两种装置各自的优缺点.这为研制适用于量子通信的全光纤纠缠光源和单光子源奠定了基础. 关键词： 纠缠光子 光纤 四波混频 量子通信     

基于周期极化KTiOPO4晶体的高亮度纠缠源研制

量子纠缠是量子信息领域的核心资源,目前利用β型硼酸钡(BBO)晶体参量下转换制备的纠缠光子对的亮度较低,它直接制约了量子通信的最远距离,已无法满足星地实用化量子通信的发展需求.利用周期极化KTiOPO4晶体,采用准相位匹配技术设计产生了一种后选择的纠缠源,测得的符合计数达到了16×103s-1 mW-1,极化对比度达到27∶1,在亮度上比基于BBO的量子纠缠光源提高了一个数量级以上.这一高亮度的纠缠源可以广泛应用于量子密钥分发、量子隐形传态以及量子计算等新兴量子信息领域,为实现全球化量子通信提供了有力的保障.     

基于周期极化KTiOPO$lt;sub$gt;4$lt;/sub$gt;晶体的高亮度纠缠源研制

量子纠缠是量子信息领域的核心资源,目前利用β型硼酸钡（BBO）晶体参量下转换制备的纠缠光子对的亮度较低,它直接制约了量子通信的最远距离,已无法满足星地实用化量子通信的发展需求.利用周期极化KTiOPO₄晶体,采用准相位匹配技术设计产生了一种后选择的纠缠源,测得的符合计数达到了16×10³s^-1 mW^-1,极化对比度达到27∶1,在亮度上比基于BBO的量子纠缠光源提高了一个数量级以上.这一高亮度的纠缠源可以广泛应用于量子密钥分发、量子隐形传态以及量子计算等新兴量子信息领域,为实现全球化量子通信提供了有力的保障. 关键词： 纠缠态 准相位匹配 4晶体')" href="#">周期极化KTiOPO₄晶体     

面向空间平台的小型化量子纠缠源

随着量子信息科学的迅速发展,以光子为物理载体的量子纠缠源已成为量子非定域性检验、量子通信、量子计算以及量子精密测量等领域必不可少的资源和重要技术手段。利用非线性介质中的自发参量下转换过程,从早期的β相偏硼酸钡晶体到后来的基于准相位匹配的周期性极化晶体等,双光子极化纠缠源凭借其在亮度和品质方面的优势得到了快速发展,这为基于卫星平台的广域量子通信和量子物理的基础检验提供了可能。从基本原理出发,系统介绍了近年来面向空间平台应用的量子纠缠源的发展和最新成果,特别是以“墨子号”量子科学实验卫星为代表的星载量子纠缠源载荷;此外,对国际上近几年关于星载量子纠缠源的进展以及未来发展趋势也进行了较为全面的介绍和分析。     

基于绝热捷径快速实现远距离的四维纠缠态的制备

作为量子信息处理的载体,量子纠缠态一直以来都是量子信息领域的研究热点.相比于低维纠缠态,高维纠缠态使得量子通信具有更快的传输速度、更强的安全性、更高的噪声容忍阈值等特点.另外,绝热技术因其对实验参数起伏不敏感而被广泛应用于纠缠态的制备,然而绝热过程需要相当长的演化时间,因此绝热捷径应运而生.本文提出了一种采用无跃迁量子驱动构建绝热捷径实现快速制备两个原子的四维纠缠态的理论方案,该系统中的两个原子分别被囚禁在两个由光纤连接的双模腔中.为了获得一个技术上可操作的物理系统,本方案采用能级失谐设计出一个可精确驱动系统沿着某一个系统的瞬时本征态演化的哈密顿.该方案所采用的无跃迁量子驱动构建绝热捷径不仅大大缩短了演化时间,而且在实验上也比较容易实现.本文还数值模拟了消相干因素对四维纠缠态保真度的影响,结果表明,只要脉冲参数选取在一定范围内,光纤耗散、腔场耗散和原子自发辐射等不利因素都会被大大抑制.     

超短脉冲抽运下频率一致纠缠光源量子特性实验研究

利用自发参量下转换过程产生的频率纠缠光源在量子信息处理及相关领域中 具有十分重要的应用. 本文利用中心波长为792 nm, 脉冲宽度小于20 fs的脉冲激光源抽运满足II类准相位 匹配条件的周期极化磷酸氧钛钾晶体, 实验产生了偏振相互正交的频率一致纠缠光子对. 基于Hong-Ou-Mandel干涉仪的二阶量子符合干涉装置, 测量到该纠缠双光子对的干涉可见度约为42%, 表明其频率不可分特性较理想频率一致纠缠光源大大降低. 通过理论分析给出, 由于超短脉冲光源对应的宽频谱带宽影响, 相位匹配函数中的高阶色散项不再忽略, 从而导致纠缠光子对的频率不可分性减弱. 进一步利用实验参数给出的数值模拟结果与实验结果符合, 证实了脉冲抽运源带宽对频率一致纠缠光源的量子不可分特性的影响. 关键词： 频率一致纠缠 Hong-Ou-Mandel干涉测量 符合计数     

优化抽运空间分布实现连续变量超纠缠的纠缠增强

超纠缠近年来受到人们广泛的关注,其在量子信息和量子通信领域具有非常重要的作用.在Liu等(2014 Phys. Rev. Lett. 113 170501)的工作中,他们利用二类相位匹配的非简并光学参量放大器获得了约1.00 dB的同时具有轨道角动量和自旋角动量纠缠的连续变量超纠缠态.在此基础上,本文通过进一步分析抽运模式与下转换模式间的纠缠关系,优化了抽运空间构造.实验结果表明,相比Liu等利用高斯基模做抽运场,使用优化的抽运模式时轨道角动量纠缠和自旋角动量纠缠的不可分度分别提高了96.2%和96.3%,最终将超纠缠态的纠缠度提高到了(4.00±0.02) dB,为连续变量超纠缠态的进一步应用奠定了基础.     

具有经典相干性的两组EPR纠缠态光场的实验产生

纠缠交换，即纠缠态的量子离物传送，是实现远程量子通讯及量子信息网络的必要手段之一 . 要完成纠缠交换实验，首先必须具有两组相互独立的纠缠源. 对于连续变量系统，两独立 的纠缠源为具有经典相干但量子起伏互不关联的两组EPR纠缠态光场. 利用自行研制的瓦级 连续双波长输出Nd³⁺: YAP/KTP稳频激光器为抽运源，抽运两台结 构完全相同的非简 并光学参量放大器，获得了具有经典相干性的两组独立的EPR纠缠光束. 讨论了两组具有经 典相干性的EPR光束产生的实验方法，及不完善模匹配效率对关联测量的影响. 关键词： EPR纠缠态光场 经典相干 非简并光学参量放大器     

基于极化-空间模超纠缠的量子网络多跳纠缠交换方法研究

基于纠缠交换方法进行多跳量子信息传输,是实现远距离量子网络通信的基本方式之一.传统的多跳量子网络通常使用单自由度极化光子纠缠态作为量子信道,信息传输容量较低且容易受到噪声的干扰.本文提出一种基于超纠缠的高效量子网络多跳纠缠交换方法,利用极化-空间模式两自由度的纠缠光子,建立超纠缠量子多跳信息传输通道.以远程超纠缠隐形传态的信道建立需求为例,首先给出了基础的逐跳超纠缠交换方案,为降低该方案的端到端超纠缠建立时延,提出在中间量子节点进行同时测量的并行超纠缠交换方案.在此基础上,为降低并行超纠缠交换的经典信息开销,进一步提出一种分级并行超纠缠交换方案.理论分析及仿真结果表明该方案的纠缠建立时延接近于并行超纠缠交换方案,但可以减少经典信息传输量,在一定程度上实现两者的平衡.相比传统的纠缠交换方法,本文方案有利于解决远程超纠缠通信的需求,对未来构建更高效率的量子网络有积极意义.     

光子轨道角动量纠缠实现量子存储

中国科学技术大学郭光灿院士带领的中科院量子信息重点实验室史保森小组在高维量子中继研究方向取得重要进展,首次在国际上实现了光子轨道角动量纠缠的量子存储,进一步证明了基于高维量子中继器实现远距离大容量量子信息传输的可行性。相关研究已发表于《物理评论快报》。     

通信波长频率一致纠缠光源的频谱测量

本文利用光栅单色仪实现了对超短脉冲抽运周期极化磷酸氧钛钾晶体产生的通信波长频率一致纠缠光子源的频谱特性分析.测量到双光子的联合频谱呈正关联分布,为频率一致纠缠光源.信号光、闲置光中心波长分别为1574.4 nm和1574.9 nm,频谱宽度分别为35.3 nm和37.6 nm,双光子符合包络宽度约为3 nm.根据单光子频谱宽度与双光子符合包络宽度的比值可以得到双光子的频率纠缠参量R约为12,表征了信号光子与闲置光子之间具有较高的频率纠缠度.     

Experimental free-space distribution of entangled photon pairs over 13 km: towards satellite-based global quantum communication

We report free-space distribution of entangled photon pairs over a noisy ground atmosphere of 13 km. It is shown that the desired entanglement can still survive after both entangled photons have passed through the noisy ground atmosphere with a distance beyond the effective thickness of the aerosphere. This is confirmed by observing a spacelike separated violation of Bell inequality of 2.45+/-0.09. On this basis, we exploit the distributed entangled photon source to demonstrate the Bennett-Brassard 1984 quantum cryptography scheme. The distribution distance of entangled photon pairs achieved in the experiment is for the first time well beyond the effective thickness of the aerosphere, hence presenting a significant step towards satellite-based global quantum communication.     

Towards High-Dimensional Entanglement in Path: Photon-Source Produced from a Two-Dimensional Atomic Cloud

A photon source with high-dimensional entanglement is able to bring increasing capacity of information in quantum communication.The dimensionality is determined by the chosen degree of freedom of the photons and is limited by the complexity of the physical systems.Here we propose a new type of high-dimensional entangled photon source,generated via path-indistinguishable scheme from a two-dimensional atomic cloud,which is prepared in a magneto-optical trap.To verify the photon source,we demonstrate experimentally the quantum state of the single photons heralded by its partner photon,with homodyne tomographic technology.     

Highly reduced fine-structure splitting in InAs/InP quantum dots offering an efficient on-demand entangled 1.55-microm photon emitter

To generate entangled photon pairs via quantum dots (QDs), the exciton fine-structure splitting (FSS) must be comparable to the exciton homogeneous linewidth. Yet in the (In,Ga)As/GaAs QD, the intrinsic FSS is about a few tens microeV. To achieve photon entanglement, it is necessary to cherry-pick a sample with extremely small FSS from a large number of samples or to apply a strong in-plane magnetic field. Using theoretical modeling of the fundamental causes of FSS in QDs, we predict that the intrinsic FSS of InAs/InP QDs is an order of magnitude smaller than that of InAs/GaAs dots, and, better yet, their excitonic gap matches the 1.55 microm fiber optic wavelength and, therefore, offers efficient on-demand entangled photon emitters for long distance quantum communication.     

多光子纠缠实验新进展--五光子纠缠技术及终端开放的隐形传态实验

在实验上发展了多光子纠缠技术,利用已有的四光子纠缠技术结合新发展的单光子源技术,在世界上第一次实现了五光子纠缠．并在此基础上实现了新型的量子隐形传态——终端开放的隐形传态．实验结果在量子力学基础问题的检验、信息论、密码学和量子计算等重要应用方向上,都具有显著的意义和价值．实验方法将大大促进未来网络化量子通信、线性光学量子计算、量子力学基础检验等重要科学问题的研究。     

Beamlike high-brightness source of polarization-entangled photon pairs

We report on an ultrabright beamlike source of polarization-entangled photon pairs that is suitable for the task of multiphoton quantum information processing. The photon pairs are generated from a beamlike type-II parametric downconversion process in two adjacently located but 180 degrees rotated beta-barium borate crystals. Approximately 30,000 s(-1) entangled photon pairs are recorded experimentally with only 100 mW pump power. The fidelity of the generated entangled state as compared with a Bell state is measured to be 0.974 with the method of quantum state tomography. With this source, we also obtain a violation of Bell's inequality by 61 standard deviations in just a few seconds.     

基于Ⅱ类周期极化铌酸锂波导的通信波段小型化频率纠缠源产生及其量子特性测量

自发参量下转换过程制备的纠缠光源在量子光学及其相关领域有着广泛的应用.本文利用780 nm的分布式布拉格反射镜激光二极管抽运一块长10 mm的Ⅱ类准相位匹配的周期极化铌酸锂波导,产生了偏振正交的频率反关联纠缠光子对.通过实验结果与理论的完美结合得到,当进入波导的抽运光功率为44.9 mW时,下转换双光子对的产生速率为1.87×10~7s~(-1).利用单色仪对下转换光子的频谱进行分析,得到信号和闲置光子的中心波长分别为1561.43 nm和1561.45 nm,频谱宽度为3.62 nm和3.60 nm,双光子符合包络宽度约为3.18 nm,可以得到双光子的频率纠缠度为1.131.00,表征了双光子的频率纠缠特性.利用Hong-Ou-Mandel干涉仪测量双光子的二阶量子干涉特性,测得的干涉可见度为96.1%,干涉图谱的凹陷宽度为1.47 ps.     

大气信道中单光子轨道角动量纠缠特性的研究

本文讨论了大气信道中轨道角动量纠缠光子对的纠缠度, 并利用von Karman大气湍流谱来建立双光子纠缠度的模型, 分析了大气湍流对不同轨道角动量纠缠光子对纠缠度的影响. 研究表明: 在大气信道中, 由于大气湍流的存在, 纠缠光子对的纠缠度随着传输距离z的增加而减小; 大气湍流强度越大, 纠缠光子对的纠缠度下降的越快, 纠缠光子对传输的距离越小; 在湍流强度相同的大气信道轨道角动量指数越大的纠缠光子对, 纠缠度下降得越慢, 纠缠光子对传输的距离越远.