利用自发拉曼散射建立三个原子节点的纠缠

量子纠缠是一种关键的量子资源.随着量子信息技术的发展,由量子通道和量子节点组成的量子网络成为研究的热点.量子信息网络的建立需要在多个远距离的量子节点间建立纠缠,它在分步式量子计算及量子因特网等方面有很重要的应用价值.本文在光和原子混合纠缠的基础上,提出了结合前馈网络建立三个独立的远程原子系综之间的连续变量确定性纠缠.三个原子系综分别放置在三个远程的节点中,每个节点首先通过自发拉曼散射过程制备光和原子的混合纠缠;然后,利用平衡零拍探测器测量三束Stokes光场干涉后的量子噪声,并将测量的结果前馈到原子系综,在三个独立的远距离的原子系综间建立纠缠;最后,利用来自三个原子系综的三束反斯托克斯光束的关联方差通过三组份不可分判据验证三个原子系综的纠缠.该方案简单可行,可以拓展到基于不同物理系统的量子节点,甚至实现更多原子节点的纠缠,从而实现大规模量子信息网络.     

利用光子回声技术产生光的三体纠缠态的研究

量子纠缠是实现量子通信和量子计算的重要资源,其中多体纠缠更是构建量子网络实现全局量子计算的基础。本文主要研究如何利用经典的光子回声技术实现光量子态的三体纠缠。在自由空间中向掺杂稀土离子的固态离子系综中射入经典光场,当离子体系达到相位重构条件时即可获得三束存在纠缠的量子光场。基于本方案纠缠产生的技术特点,发现其在提高量子中继器的工作效率上有着潜在的应用价值。     

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.     

连续变量多组分纠缠态光场及其在量子计算中的应用

在发展基于单光子的量子信息系统的同时,以光场正交分量为基础的连续变量量子信息科学也在蓬勃发展,多组分纠缠态光场是研究连续变量量子计算的基本资源.文章简要介绍了连续变量多组分纠缠态光场的概念和制备方法,以及连续变量量子计算的基本模型和实验研究进展.     

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     

基于腔QED的多用户间的多原子量子信道的建立

提出基于腔QED技术的多用户间的多原子W态和GHZ态量子信道的建立方案.在量子网络的空闲时段,各个用户和量子交换机共享EPR对.量子交换机通过原子和腔场的相互作用将两个EPR对制备成W态,再与另一个EPR对进行纠缠交换,经过直接测量后为用户建立三原子W态量子信道;同时讨论了四用户间的W态量子信道的建立方案.量子交换机对三个EPR对进行纠缠交换,将三个原子同时与腔场作用,经过直接测量后为用户建立三原子GHZ态量子信道;并将此方法推广到N个用户间的GHZ态量子信道的建立. 关键词： 腔QED 量子信道 量子交换机 纠缠交换     

双模相干光场与原子依赖强度耦合双光子过程的纠缠演化

分别应用量子约化熵和量子相对熵研究了双模相干光场与原子依赖强度耦合双光子过程中原子与光场之间及光场的双模之间纠缠演化.结果表明,通过选择系统初态参数、控制原子与光场的作用时间,可以调控原子与光场间的纠缠和光场的模间纠缠.可增加或减弱双模相干光场间纠缠,但无法使双模相干光场完全退纠缠.强场条件下,可周期性获得光场与原子的EPR态和可分离态.     

双模相干光场与原子依赖强度耦合双光子过程的纠缠演化

分别应用量子约化熵和量子相对熵研究了双模相干光场与原子依赖强度耦合双光子过程中原子与光场之间及光场的模之间纠缠演化.结果表明,通过选择系统初态参数、控制原子与光场的作用时间,可以调控原子与光场间的纠缠和光场的模间纠缠.可增加或减弱双模相干光场间纠缠,但无法使双模相干光场完全退纠缠.强场条件下,可周期性获得光场与原子的EPR态和可分离态.     

二能级原子与相干态腔场相互作用过程中的纠缠交换

用量子信息学的观点，分析了发生在一个多个原子和腔场组成的系统中最大纠缠态在原子和多模类奇-偶相干态光场之间相互转移的物理过程，该系统中原子和腔场之间由依赖于强 度耦合的Jaynes-Cummings模型描述.结果发现：通过控制原子与腔场相互作用的时间，并 对原子的状态进行测量，原子的最大纠缠态可以转换为类奇-偶相干态光场的最大纠缠态，反之，纠缠的多模类奇-偶相干态光场也可以转换为原子的最大纠缠态. 关键词： 量子信息 腔量子电动力学 连续变量纠缠态 纠缠交换和传递     

冷原子系综内单集体激发态的相干操纵

原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.     

利用谐振倍频产生纠缠光束

根据Anderson等近期的理论研究,简要介绍了Ⅱ类相位匹配倍频过程产生纠缠光的理论计算过程,得出了纠缠的类型、纠缠度与抽运功率的函数关系和纠缠度的理论值。利用Ⅱ类非临界相位匹配的KTP晶体作为倍频晶体,采用倍频腔结构为半整块的单端驻波腔(由于腔的入射光与反射光重合,无法直接取出纠缠光束,需要先将腔内的纠缠光束当作一对压缩的耦合模取出,再在50/50光学分束器上干涉恢复一对纠缠的本征模),在基频光波长获得了具有正交振幅负关联、正交相位正关联特征的量子纠缠光束对,它们的正交振幅和噪声低于散粒噪声基准0.2±0.1 dB,正交相位差噪声低于散粒噪声基准1±0.2 dB。最后分析了两个正交分量的纠缠度不平衡的原因。与目前常用的光学参变振荡器相比,此类纠缠产生源的装置具有便捷和结构简单的优点。     

Efficient entanglement purification in quantum repeaters

We present an efficient entanglement purification protocol(EPP) with controlled-not(CNOT) gates and linear optics.With the CNOT gates,our EPP can reach a higher fidelity than the conventional one.Moreover,it does not require the fidelity of the initial mixed state to satisfy F > 1/2.If the initial state is not entangled,it still can be purified.With the linear optics,this protocol can get pure maximally entangled pairs with some probabilities.Meanwhile,it can be used to purify the entanglement between the atomic ensembles in distant locations.This protocol may be useful in long-distance quantum communication.     

Efficient entanglement purification in quantum repeaters

We present an efficient entanglement purification protocol (EPP) with controlled-not (CNOT) gates and linear optics. With the CNOT gates, our EPP can reach a higher fidelity than the conventional one. Moreover, it does not require the fidelity of the initial mixed state to satisfy F>1/2. If the initial state is not entangled, it still can be purified. With the linear optics, this protocol can get pure maximally entangled pairs with some probabilities. Meanwhile, it can be used to purify the entanglement between the atomic ensembles in distant locations. This protocol may be useful in long-distance quantum communication.     

Optical experiments beyond the quantum limit: Squeezing,entanglement, and teleportation

Results of experiments recently performed are reported, in which two optical parametric amplifiers were set up to generate two independently quadrature squeezed continuous wave laser beams. The transformation of quadrature squeezed states into polarization squeezed states and into states with spatial quantum correlations is demonstrated. By utilizing two squeezed laser beams, a polarization squeezed state exhibiting three simultaneously squeezed Stokes operator variances was generated. Continuous variable polarization entanglement was generated and the Einstein-Podolsky-Rosen paradox was observed. A pair of Stokes operators satisfied both the inseparability criterion and the conditional variance criterion. Values of 0.49 and 0.77, respectively, were observed, with entanglement requiring values below unity. The inseparability measure of the observed quadrature entanglement was 0.44. This value is sufficient for a demonstration of quantum teleportation, which is the next experimental goal of the authors.     

单-双模组合压缩热态的纠缠性质及在量子隐形传态中的应用

基于单-双模组合压缩真空态一定范围内能够获得压缩增强的效果,引入单-双模组合压缩热态(DSMST),讨论其纠缠性质.利用Weyl编序算符在相似变换下的不变性,简洁方便地导出了DSMST的纠缠度-负对数值,并给出了当热效应存在时保持纠缠的条件.研究表明:与通常的双模压缩态相比,随着参数的增加,DSMST的纠缠度增加.作为DSMST的应用,利用其实现相干态的量子隐形传输.结果表明:不同于纠缠度随压缩参数增加,保真度获得改善是有条件的,该条件恰好就是一正交分量涨落出现压缩增强的参数区域.此外,解析推导了有效隐形传输保真度(1/2)的条件.     

Scheme to generate three-mode continuous-variable entanglement in cavity quantum electrodynamics

We propose a theoretical method of generating a three-mode continuous-variable entanglement in an optical cavity with an atomic cloud. The scheme uses Raman transitions between stable atomic ground states and under the input-output theory a three-mode entangled light of the output fields can be produced. The characters of the tripartite entanglement, the degree of the quadrature-phase amplitude correlations among the three modes are discussed by applying a sufficient inseparability criterion for multipartite continuous-variable entanglement, which was proposed by van Loock and Furusawa. The dependences of the correlation on the effective coupling constants are theoretically analyzed.     

连续变量纠缠增强对实验参量的依赖关系

具有正交振幅和正交相位分量量子关联的连续变量量子纠缠态光场是进行量子信息和量子计算研究的最基本的资源。随着量子信息和量子计算研究的深入开展,为了实现高质量的信息传递和高效率的量子计算,必须尽可能提高所利用的纠缠态光场的纠缠度。基于光学参变过程量子纠缠增强是提高连续变量纠缠态光场纠缠度的一种有效方法,详细讨论了连续变量纠缠增强与非简并光学参变放大器各实验参量的关系,讨论了这些参量对纠缠增强的影响。计算结果将为优化利用非简并光学参变放大器构建的纠缠增强系统,进一步提高量子纠缠增强效率提供参考。     

利用两能级原子与腔场相互作用实现纠缠压缩态的纠缠浓缩

根据大失谐条件下原子-腔场相互作用的特点,讨论了一个制备纠缠压缩态的方法,提出了一个利用两能级原子与腔场相互作用实现纠缠压缩态纠缠浓缩的方案。在这个方案中,两束具有相同振幅但有着 相位差的压缩光 和 构成的纠缠态光场被用来作为量子信道。通过利用两能级原子与腔场的相互作用以及两模正交态测量实现了这个纠缠浓缩的过程。结果表明：对于纠缠压缩态,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部分纠缠态中提取出最大纠缠态。     

连续变量无条件纠缠交换 --纠缠态的量子离物传送

利用自行设计的两台非简并光学参量放大器，获得了一对具有经典相干性且量子起伏相互独立的连续变量纠缠态光场，并用它完成了连续变量的无条件纠缠交换，即纠缠态的量子离物传送．通过联合贝尔态探测与纠缠塌缩，使两个初始不纠缠而又从未发生过直接相互作用的光场产生了量子纠缠，其正交振幅和位相分量的量子起伏关联方差被直接测量，其测量值分别低于散离噪声极限1．23dB和1．12dB．理论计算与实验结果基本符合．     

Quantum frequency doubling based on tripartite entanglement with cavities

We analyze the entanglement characteristics of three harmonic modes,which are the output fields from three cavities with an input tripartite entangled state at fundamental frequency.The entanglement properties of the input beams can be maintained after their frequencies have been up-converted by the process of second harmonic generation.We have calculated the parametric dependences of the correlation spectrum on the initial squeezing factor,the pump power,the transmission coefficient,and the normalized analysis frequency of cavity.The numerical results provide references to choose proper experimental parameters for designing the experiment.The frequency conversion of the multipartite entangled state can also be applied to a quantum communication network.