基于四波混频过程和线性分束器产生四组份纠缠

多组份纠缠是量子信息处理的重要资源,它的产生通常涉及到许多复杂的线性和非线性过程.本文从理论上提出了一种利用两个独立的四波混频过程和线性分束器产生真正的四组份纠缠的方案,其中,线性分束器的作用是将两个独立的四波混频过程联系起来.首先应用部分转置正定判据研究了强度增益对四组份纠缠的影响,结果表明,在整个增益区域内都存在真正的四组份纠缠,并且随着强度增益的增加,纠缠也在增强.然后研究了线性分束器的透射率对四组份纠缠的影响,发现只要线性分束器的透射率不为0或1,该系统也可以产生真正的四组份纠缠.最后,通过研究该系统可能存在的三组份纠缠和两组份纠缠来揭示该系统的纠缠结构.本文理论结果为实验上利用原子系综四波混频过程产生真正的四组份纠缠提供了可靠的方案.     

基于四波混频过程的纠缠光放大

双模纠缠态是量子信息领域一种重要的量子资源,本文基于四波混频过程从理论上提出了对双模纠缠态的单个模式(单模放大方案)和对双模纠缠态的两个模式(双模放大方案)的放大.利用光学分束器模型来模拟在光学传输过程中损耗引入的真空场噪声,利用部分转置正定判据分析了两种不同的放大方案中四波混频过程的增益对初始双模纠缠态的纠缠程度的影响.结果表明,在特定的损耗情况下,两个方案中初始双模纠缠态的纠缠度都随增益的增大而减小,直至消失,且双模放大方案中初始双模纠缠态纠缠消失得比单模放大方案中更快.本文的理论结果为实验上实现基于四波混频过程的双模纠缠态的放大奠定了理论基础.     

基于级联四波混频过程的量子导引

多组份量子导引是一种重要的量子资源,是安全量子通信网络的基础.本文设计了串联级联四波混频和混合级联四波混频两种不同的方案,并基于这两种方案分别产生了三组份量子导引和五组份量子导引,通过构建系统量子态的协方差矩阵,理论研究了两种方案产生不同模式组合间的导引参数随四波混频过程振幅增益的变化.结果表明,利用这两种方案可以实现多种类型的量子导引,这一结果不仅有助于理解量子导引在多组份系统的分布而且在实际的安全量子通信网络、量子秘密共享中具有重要的意义.     

级联四波混频系统中纠缠增强的量子操控

各类系统中的纠缠操控是量子信息科学的重要问题之一.本文研究了热原子蒸气的级联四波混频过程中产生的纠缠增强及纠缠增强的相位敏感特性.研究表明,该级联四波混频过程第二级输出的探针光和共轭光的量子纠缠较第一级明显增强,最大可达5 dB以上,且随着强度因子的增大可实现完美纠缠.文中还详细讨论了量子关联类型及纠缠大小与抽运光相位、非线性强度因子之间的变化关系,结果显示,由于纠缠增强及纠缠类型对抽运光相位的敏感性,通过控制相位和强度因子可改变光场噪声特性从而实现对探针光和耦合光之间纠缠增强、纠缠度大小、纠缠类型的量子操控.该理论研究对实验实现纠缠增强及双模压缩态压缩角、压缩度的光学参量操控具有重要的指导意义.     

三组份纠缠与可控连续变量量子密集编码

我们从量子理论出发,提出了利用分束器与非简并光学参量放大器产生三组份量子纠缠态光场[1,2]并用以执行可控连续变量量子密集编码的新方案.在三个组份非局域纠缠的基础上,发送站(Alice)与接收站(Bob)之间的通讯受控于另一指挥部(Claire).实验方案采用明亮的GHZ三组份纠缠光束为信息载体,使用Bell态直接探测方式提取信息,不需要本底振荡光,从而简化了实验系统.所设计的系统可用于量子保密通讯和量子网络.     

相干反馈控制实现两组份纠缠态光场纠缠增强

两组份纠缠态光场是量子信息和量子计算的基本资源,随着研究的深入发展,为了完成更高效的量子信息处理,必须首先获得高纠缠度的两组份纠缠态光场。而通过操控实现纠缠光场纠缠度增加是目前提高纠缠光场质量的一个行之有效的办法。相干反馈控制由于不会带入额外噪声至光学参量系统的特点已经被实验证明可以用于压缩态光场压缩度的增强。理论计算增加了相干反馈系统的非简并光学参量放大器输出的两组份纠缠态光场的量子关联噪声与各系统参数的关系,并详细分析了各参数对相干反馈纠缠增强的影响,为进一步获得更高纠缠度的两组份纠缠态光场提供参考。     

基于原子系综的相敏四波混频过程及其应用

由于原子相干性可以增强光学非线性效应，基于原子系综的四波混频过程是产生压缩态和纠缠态的一项有前景的技术。光参量放大器中的相敏放大器的增益随输入信号相位的变化而变化，且相敏放大过程具有低噪声特性。因此，基于原子系综的相敏四波混频过程在实际应用中有着潜在的应用价值。本文介绍了基于原子系综的相敏四波混频过程的理论方案，概述了该系统输出光场的量子特性，综述了基于原子系综的相敏四波混频过程在实验上的应用，包括在双模相敏放大器中利用干涉诱导增强了量子压缩，对双模相敏放大器的相位进行操纵以实现两种类型的纠缠，以及用直接强度探测法测量明亮注入SU(1,1)干涉仪的相位灵敏度。     

二项式光场与级联三能级原子的量子纠缠

利用量子熵理论，研究了二项式光场与级联三能级原子的量子纠缠，讨论了光场与原子的初始参量对其量子纠缠性质的影响.结果表明，利用二项式光场的特性，可以揭示从相干态到数态之间的所有态光场与三能级原子相互作用时的量子纠缠性质.选择适当的系统参数可以制备稳定的光场-原子qutrit纠缠态. 关键词： 二项式光场 级联三能级原子 光场熵 量子纠缠     

基于级联四波混频系统实现信噪比优化的理论研究

理论研究了基于级联四波混频系统的信噪比(SNR)优化。级联四波混频过程包括相敏和非相敏级联两种方式,其中非相敏级联系统的探测光强度始终被放大,同时SNR始终被降低;而相敏级联系统的探测光强度可以被放大或减小,这取决于两个铷池内光场的总相位调控。在相同增益条件下,相敏级联四波混频系统的有效增益比非相敏级联系统的高。另外,当两个铷池内光场的总相位等于0或者2π时,相敏级联四波混频系统中探测光的强度可以呈最大倍数放大,且SNR也被提高到最大。     

部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中的光谱特性

根据Li提出的平顶光束模型和部分相干光理论，推导出部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输的光谱分布解析表达式，定量研究了部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输的光谱特性，分析了近场和远场轴上光谱的变化特点，以及介质的增益(损耗)特性、光源的中心频率、空间相干参数以及谱宽等因素对光谱变化的影响. 研究结果表明，部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输时，光源的中心频率、光谱宽度、空间相干参数对相对谱移量影响较大，但对光谱分布随传输距离的总体变化趋势影响较小，而光谱分布随传输距离的总体变化趋势则主要由平顶光束的阶数所决定. 关键词： 部分相干平顶光束 光谱特性 谱移 线性增益(损耗)介质     

相干反馈增强型量子混合干涉仪

本文在理论上提出了一种由非线性分束器和线性合束器构成的量子混合干涉仪，其中非线性分束器是由非线性参量过程结合量子压缩源的线性相干反馈构成，用于提高量子混合干涉仪相位灵敏度。具体而言，光学参量放大输出的光束与量子压缩源线性反馈至输入端，获得一对纠缠度可控的双模压缩光束，结合线性合束器，构建反馈型量子混合干涉仪。结果表明，相比于无反馈量子混合干涉仪，本方案通过调节反馈强度至合适区间，可以在增加相敏光子数实现干涉信号强度提高的同时，增强两干涉臂之间纠缠度进而减小干涉噪声。此外，将压缩真空态作为反馈环结构的输入态，能够进一步降低探测信号的噪声。因此，本方案从以上三个方面有效地提升混合干涉仪的测量灵敏度，甚至在有损的情况下，相比于无反馈情形，该反馈型量子混合干涉仪仍具有更好的相位灵敏度，表现出更好的抗损能力，有望应用在量子精密测量领域。     

损耗与噪声对分束器的量子非破坏性测量的影响

采用量子理论详细地分析有损耗的分束器作为量子非破坏性测量系统时的量子态制备能力和量子光学分流能力与透射损耗和反射损耗的关系.给出当输入探测光的量子起伏为某一确定值时,要实现量子非破坏性测量分束器损耗的上限值.还讨论输人信号光不是相干态而是含有热噪声的相干信号场时,信号光的量子起伏对量子非破坏性测量的影响. 关键词：     

I类倍频级联过程中的三色三组份纠缠

分析了用级联的两个I类倍频腔产生的三色三组份纠缠光源纠缠特性,结果表明:第一个腔的反射抽运场,第二个腔的反射抽运场和第二个腔的输出倍频场之间是关联的,并给出了纠缠度随各种实验参数的变化关系,为多色纠缠光束的产生及其在量子测量与量子通信中的应用提供了参考。     

耗散环境下三原子之间稳定纠缠的量子反馈控制

研究利用基于量子跳跃的量子反馈控制来产生三个二能级原子之间稳定的纠缠.考虑三个二能级原子处于一个严重耗散的单模光腔中,分别讨论了反馈作用在一个原子上和反馈同时作用在三个原子上的情况.研究发现:当反馈作用在某个原子上时,基于量子跳跃的量子反馈能够保护另外两个原子的最大纠缠态.当反馈同时作用在三个原子上时,选择合适的参数可以得到两个基矢张开的无消相干子空间,并且利用量子轨迹蒙特卡罗波函数方法,得到一定初始条件下系统最终可以演化到这个子空间中三个原子之间的最大纠缠态.     

铯原子介质中受激拉曼四波混频的光放大特性

实验研究了在铯原子介质中受激拉曼四波混频过程中,注入的探针光与所产生的共轭光的增益特性,具体比较了在探针场分别作为Stokes场和Anti-Stokes场情况下,增益随粒子数密度、泵浦光频率失谐的依赖关系,并分析了其增益谱线线型和谱宽.为进一步开展基于受激拉曼四波混频进行量子关联光束的制备提供了主要实验参数的选择参考.     

双端腔Ⅱ类倍频产生四组份纠缠光场

量子纠缠是执行量子计算和构建量子通信网络的关键资源,制备与操控纠缠态光场是实现量子信息处理的基础要素.本文提出了利用双端光学腔倍频产生四组份纠缠态的理论模型,从耦合波方程出发得到Ⅱ类倍频过程的传输矩阵,通过腔内自再现方程和输入输出传输矩阵理论研究了输出的两束倍频光的噪声特性;对于两束倍频光和两束基频泵浦场,利用多组份纠缠光场的充分必要判据PPT方法 (positivity under partial transposition criterion)分析了最小辛本征值与泵浦功率及分析频率之间的关系,研究结果表明基频泵浦光与倍频光之间存在四组份纠缠.     

基于量子纠缠的量子控制反馈通道设计

在量子反馈控制中,传感器从被控量子系统上获得有关系统的信息,控制器对这些信息进行处理并反馈到系统,从而以一种期望的方式来对量子系统进行主动控制.马尔可夫量子反馈、贝叶斯量子反馈、含时延非马尔可夫量子反馈等传统量子反馈控制都用到了来自测量结果的反馈信息,控制器处理经典信息,反馈环中没有建立有效的量子通道.最近的相干量子反馈方案中,传感器和控制器都采用量子系统,没有破坏反馈环的量子特性.本文提出了另一个可选择的量子反馈控制方案,该方案借助量子信息技术中量子纠缠这一重要物理资源来建立反馈环中有效的反馈量子通道,能完成量子遥控、间接量子控制和量子态远程反馈等传统量子反馈控制无法完成的任务.这一设计方案不仅为建立量子控制论与量子信息学之间的连接开辟了一条新的途径,也可能在实用的量子通信网络和大规模量子计算等方面具有重要的潜在应用.     

四组份不同频率连续变量纠缠态光场的产生

量子纠缠态是开展量子信息工作的核心资源。提出在一块光学超晶格中通过有注入信号的非简并光学参量振荡级联一个和频过程,可以产生不同频率的四组份连续变量纠缠态光场的可行实验方案。首先泵浦光和注入信号光通过差频过程产生闲置光。然后泵浦光和闲置光在同一块光学超晶格中通过级联和频过程产生和频光。根据多组份连续变量纠缠的判定方法,从理论上证明泵浦光、信号光、闲置光与和频光场之间的量子纠缠特性。四组份纠缠特性随泵浦功率的增大而减弱,另外选取较大的注入信号功率、级联非线性过程的耦合参数和泵浦光衰减常数可以得到较好的四组份纠缠光场。该实验方案只用到一块光学超晶格就可以产生四色连续变量纠缠态光场,实验装置简单。     

纠缠相干态的纠缠浓缩

利用线性光学元器件对光场量子态进行操纵,可以实现远程的量子纠缠调控和量子通讯.通过分析光学分束器对相干态光场的作用,发现当初始光场态是两个两部分纠缠态的直乘时,让其中的两模通过光学分束器作用后再对其进行光子计数,另外两模将会塌缩到新的纠缠态.基于这个特点,提出了一个实现部分纠缠相干态纠缠浓缩的方案.在这个方案中,两个部分纠缠相干态被用来作为量子信道,通过光学分束器作用后对光场进行光子数探测时,如果测量到光场的两模分别处于奇光子数态和零光子数态,则光场另外的两模将塌缩到最大纠缠态,从而完成纠缠浓缩的过程.计算结果表明,对于纠缠相干态,无论其初始的纠缠是多么微弱,利用这种方法总有一定的几率可以从中提纯出最大纠缠态.     

基于简并四波混频的双信道双频段增益谱

基于大规模光通信中频分复用的需求,本文以热原子的简并四波混频为模型,研究了具有双频段特性的双信道增益光谱.一束缀饰场诱导激发态能级发生分裂,由于量子干涉效应,四波混频信号的增益在双光子共振处被抑制,从而使增益谱线的包络由单频段转变为"M"型的双频段结构.同时,缀饰场还提高了相干基态的原子布居,进一步增强了四波混频信号的强度.最终实验上在铯原子气室内获得了一对具备双频段的双信道高增益光谱,并通过调节缀饰场的强度和频率失谐,实现了对双增益峰频率间隔的有效操控.