连续变量量子态的光学操控

量子态的光学操控是指在光场的传输、存储和频率变换等过程中用光学方法对光场的量子态进行操作与控制.量子态操控是量子通讯及量子态制备和应用的基础.在简要介绍连续变量多组份纠缠态光场制备的基础上,概述基于多组份纠缠态光场的连续变量量子通讯网络及在执行压缩态和纠缠态光场操控方面的实验研究进展.     

音频段1.34μm压缩态光场的实验制备

音频段压缩态光场是进行连续变量量子精密测量重要的量子资源.本文利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34μm双波长激光器作为抽运源,抽运基于周期极化磷酸氧钛钾晶体的简并光学参量振荡器,进行了光通信波段1.34μm连续变量音频段真空压缩态光场的实验制备.当简并光学参量振荡器运转于阈值以下参量反放大状态时,抽运光场功率为95 mW,本地振荡光功率为60μW时,在分析频率8—100 k Hz范围内研制出1.34μm真空压缩态光场.在分析频率36 k Hz处,压缩态光场的最大压缩度达5.0 d B;在音频频率8k Hz处,压缩态光场的压缩度达3.0 d B.音频段1.34μm压缩态光场可用于实现基于光纤的量子精密测量.     

1.5μm光通信波段明亮压缩态光场的产生及其Wigner函数的重构

1.5 μm光通信波段非经典光场在光纤中有着极低的传输损耗, 因而是基于光纤的实用化连续变量量子信息研究的重要资源. 本文利用周期极化磷酸氧钛晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器, 实验获得了连续变量1.5 μm光通信波段的明亮压缩态光场. 光学参量放大器的阈值功率为230 mW. 当780 nm抽运光场功率为110 mW, 1.5 μm注入信号光场功率为3 mW时, 连续变量1.5 μm明亮正交位相压缩态光场的压缩度达4.7 dB. 进而利用时域零拍探测系统测量压缩态, 采用量子层析技术重构了该明亮正交位相压缩态光场的Wigner准概率分布函数.     

光通信波段低频压缩态光场的实验制备

本文利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的半整块结构简并光学参量振荡器实验制备了连续变量光通信波段低频压缩态光场。光学参量振荡器的阈值功率为210 mW。当775nm抽运光场功率为130 mW时,在分析频段50kHz~900kHz范围内获得真空压缩态光场。在200kHz分析频率处,压缩态光场的最大压缩度达5.0dB;在最低分析频率50kHz处,压缩态光场的压缩度为2.0dB。该低频压缩态光场可为基于光纤的量子精密测量提供量子光源。     

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.     

基于电磁诱导透明机制的压缩光场量子存储

光场的量子存储不仅是构建量子计算机的重要基础,而且是实现量子中继和远距离量子通信的核心部分.由于存在不可避免的光学损耗,光学参量放大器产生的压缩真空态光场将变为压缩热态光场,不再是最小不确定态.因此,压缩热态光场的量子存储是实现量子互联网的关键.在原子系综中利用电磁诱导透明机制能够实现量子态在光场正交分量和原子自旋波之间的相互映射,即受控量子存储.本文根据量子存储的保真度边界,研究了实现压缩热态光场量子存储的条件.量子存储的保真度边界是通过经典手段能够达到的最大保真度,当保真度大于该边界时,就实现了量子存储.通过数值计算分析了不同情况下压缩热态光场的量子存储保真度边界,以及存储保真度随存储效率的变化关系,得到了实现量子存储的条件,为连续变量量子存储实验设计提供了直接参考.     

光压缩器的研制

目前,非经典光场已被成功应用于亚散粒噪声极限光学测量,量子非破坏测量,量子离物传态及量子保密通讯等领域.而且近年来随着以EPR纠缠态的非局域关联为基础的量子信息科学的迅速发展,使可以方便地产生连续变量的EPR关联的双模压缩态光场显示出它广泛的应用前景.但是目前压缩态光场产生系统装置庞大、操作复杂、稳定性不理想.因此实现实用化压缩光产生系统就成为一个重要的研究课题.     

明亮压缩态光场的操控及量子层析

连续变量量子态的制备与操控是进行量子通信、量子密钥分发以及量子网络构建的重要基础.本文基于二阶非线性过程,利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的简并光学参量放大腔,在实验上实现了 1064 nm波段明亮压缩态光场的制备,所制备的明亮压缩态光场在泵浦光功率为310 mW、分析频率为3 MHz处的压缩度为-11.6 dB.当注入50 mW泵浦光时,实现了压缩度为-6 dB,纯度为98.5%的压缩态光场;在此基础上,利用光电调制器进行明亮压缩态光场的线性光学操控,并基于平衡零拍探测系统的直流信号准确判断压缩态光场时域信号对应的相位,之后结合极大似然估计算法实现压缩态的量子层析,得到量子态的密度矩阵及相空间的Wigner函数,从而获得量子态的光子数分布等全部信息.     

基于光场量子态的连续变量量子信息处

连续变量量子信息是量子信息科学研究的一个重要内容。基于光学模的连续变量量子信息 处理,以光场量子态为量子资源,结合各种量子操控手段,完成信息的传输和处理。本文简要介 绍用于连续变量量子信息处理的光量子态的概念、制备方法和操控手段,以及连续变量量子通 信、量子计算和量子纠错方面的研究进展和发展趋势。     

基于光场量子态的连续变量量子信息处理

连续变量量子信息是量子信息科学研究的一个重要内容。基于光学模的连续变量量子信息处理,以光场量子态为量子资源,结合各种量子操控手段,完成信息的传输和处理。本文简要介绍用于连续变量量子信息处理的光量子态的概念、制备方法和操控手段,以及连续变量量子通信、量子计算和量子纠错方面的研究进展和发展趋势。     

真空场注入三态叠加MFSS光场广义电场的等幂偶次Y压缩

对真空场注入三态叠加MFSS(多模泛函叠加态)光场|ψ_0~(3)〉q广义电场分量的等幂次偶次振幅压缩特性进行了详细研究,分析了光场经典强度、经典振幅和经典相位的任意空间分布特征、以及真空场注入对该光场的广义电场分量的等幂偶次Y压缩效应其压缩幅度和压缩量的影响。结果发现:导致态|ψ_0~(3)〉q的广义电场分量存在等幂偶次2m次方Y压缩效应的根本原因在于模间的量子干涉效应、态间的量子干涉效应以及模间和态间的量子纠缠效应;真空场注入可使该光场广义电场分量的2m次方Y压缩效应增强、压缩幅度增大、压缩程度加深。     

时域多模飞秒压缩光场测量中的本地光脉冲整形研究

基于飞秒脉冲的同步泵浦参量过程产生的多模时域飞秒压缩光场,由于其独特的优势,特别是可以享有单模光纤网络兼容,是实现可扩展量子计算及大容量量子通讯的良好光源。由于无法实现多模时域飞秒压缩光场的空间分离,目前对于多模时域飞秒压缩光场的测量,采用最为有效的平衡零拍探测。因此如何构造与时域飞秒压缩光场时域函数分布相同的本地光,是其中的关键内容,并直接影响测量效果。本文主要理论研究了本地脉冲光的时域整形方案,分析了系统参数对整形后的多模本地光的保真度以及系统调制效率的影响,并结合实验参数提出可能的解决办法。     

Two-mode squeezed vacuum states in tomographic-probability representation

The two-mode quantum electromagnetic field in the vacuum squeezed state is considered in the tomographic-probability representation. The symplectic, center-of-mass, and photon-number tomograms for the two-mode vacuum squeezed state are obtained explicitly. The expressions for photon statistics of the squeezed light are reconsidered using the state tomograms, and some new integral relations are found for one and multimode orthogonal polynomials.     

叠加多模薛定谔猫态纠缠光场的不等幂次高次差压缩

利用多模压缩态理论研究了由多模复共轭相干态、多模复共轭虚相干态和多模真空态的线性叠加所组成的三态叠加多模薛定谔猫态纠缠光场的广义非线性不等幂次高次差压缩特性.结果发现:①真空场对此猫态光场的不等幂次高次差压缩效应没有影响;②在一定条件下,此猫态光场的两个正交相位分量可分别呈现出不等幂次高次差压缩效应;③而在另外的条件下,此猫态光场的两个正交相位分量则可同时出现上述的不等幂次高次差压缩效应,这是一种与测不准关系相悖的现象,称此种现象为"双边差压缩"效应.     

Quantum limits on optical resolution

We discuss the ultimate limit imposed by quantum fluctuations of light for resolution of fine details in optical images. For this purpose, we extend in the quantum domain the classical analysis of the object reconstruction, or superresolution, in terms of prolate spheroidal function basis. We derive the expression for ultimate resolution limit in the reconstructed object using an illumination of the full object plane by a multimode squeezed vacuum. We show that the gain in resolution using multimode squeezed light is maximum when the Shannon number of the imaging system is close to unity.     

真空场注入4SMES光场广义电场的4m+2次和压缩

根据量子力学中态的线性叠加原理,构造了由多模真空态、多模相干态、多模相干态的相反态和多模虚相干态的线性叠加所组成的真空场注入四态叠加多模纠缠态(即4SMES)光场.利用多模压缩态理论研究了上述光场中广义电场分量的等幂次高次和压缩特性.结果发现:真空场注入4SMES光场是一种典型的四态叠加多模非经典光场;在一定条件下,该光场的广义电场分量可呈现出周期性变化的广义非线性等幂4m+2次和压缩效应.     

真空场注入4SMES光场广义电场的4m+2次和压缩

根据量子力学中态的线性叠加原理,构造了由多模真空态、多模相干态、多模相干态的相反态和多模虚相干态的线性叠加所组成的真空场注入四态叠加多模纠缠态(即4SMES)光场.利用多模压缩态理论研究了上述光场中广义电场分量的等幂次高次和压缩特性.结果发现:真空场注入4SMES光场是一种典型的四态叠加多模非经典光场;在一定条件下,该光场的广义电场分量可呈现出周期性变化的广义非线性等幂4m+2次和压缩效应.     

真空场注入非对称五态叠加多模泛函叠加态的高次振幅压缩

构造了由多模真空态、多模泛函相干态、多模泛函相干态的相反态、多模复共轭泛函相干态和多模复共轭泛函相干态的相反态这五个宏观上完全可分辩的量子态线性叠加所构成的强度不等的非对称五态叠加多模泛函叠加态光场|Ψ(5)vas〉q.利用多模压缩态理论,首次研究了态|Ψ(5)vas〉q的广义非线性等幂奇数次高次振幅压缩特性.结果发现:在一定的条件下,态|Ψ(5)vas〉q可呈现任意次的广义非线性等幂次高次振幅压缩效应,其压缩程度、压缩深度和压缩幅度与压缩次数、腔模总数、态间叠加几率幅、各模光场的经典强度以及经典初始相位的空间分布函数等强烈地非线性相关联;特别是,在特定条件下,真空场的注入可以提高压缩程度.     

量子叠加态光场中广义电场的N次方H压缩效应

利用多模压缩态理论,研究了一种新型的三态叠加多模量子叠加态光场|Ψ(3)〉q中广义电场分量的等幂次N次方H压缩特性.结果发现,在一定条件下,态|Ψ(3)〉q的广义电场分量总可呈现出周期性变化的广义非线性等幂次N次方H压缩效应.