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.     

噪声信道下的远程混态制备

量子信息过程实际上也就是量子态的制备,操作,传输的过程.量子隐形传态(quantum teleporation)给我们提供了一种远程制备量子态的方法.近来,远程态制备(remote state preparation)的研究越来越受到人们的关注.它给我们提供了一种新的远程制备量子态的方法.与量子隐形传态不同的是:传送方(Alice)知道要传送的态,并且接收方知道要传送态所处在的系综.     

连续变量六组份和八组份星型Cluster纠缠态光场产生系统

Cluster纠缠态是执行单向量子计算的基本资源。星型Cluster态可用于构建量子信息网络。以非简并光学参变放大器产生的双模压缩态光场为基础,设计了产生连续变量六组份和八组份星型Cluster纠缠态光场的实验方案,并推导了相应的量子不可分判据。计算结果指出,当量子不可分判据中的增益因子取为1时,需要一定的初始压缩度才能制备星型Cluster纠缠态;但当选取最佳增益因子时,极低的压缩也能产生星型纠缠。计算为实验系统设计提供了直接参考。     

利用楔角KTP晶体实现低阈值非简并光学参量放大器的运转

非简并光学参量放大器产生的纠缠态光场是连续变量量子信息科学研究的重要资源。随着量子网络及量子计算的发展,需要更多组份纠缠态光场来完成对更复杂的量子信息的研究。一般的多组份纠缠态光场是将多个压缩态光场或者Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)纠缠态光场通过不同的分束器阵列耦合而成,需要同时制备多个经典相干的EPR纠缠态光场。采用带楔角的非线性晶体,使非简并光学参量放大器的振荡阈值从原来的250mW降低至45mW,当注入腔内抽运光功率为23mW时,依然可以得到正交振幅及相位分量关联噪声分别低于量子噪声极限5.5dB的EPR纠缠态光场。在此基础上,可以使用一台激光器同时抽运多个非简并光学参量放大器来获得所希望的多组份纠缠态光场。     

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。     

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.     

利用拉曼型的Jaynes-Cummings模型传送两比特的未知原子态

实现量子态的隐形传送、尤其是多比特量子态的隐形传送在量子信息领域中有非常重要的作用，提出了一种隐形传送两比特未知原子态的方案，在此方案中，用两个两粒子纠缠态代替一个三粒子纠缠态作为量子信道，而且此方案可推广到隐形传送N比特的未知原子态。     

利用Raman相互作用传送两比特的未知原子态

实现量子态的隐形传送,尤其是多比特量子态的隐形传送在量子信息领域中有非常重要的作用。本文提出了一种隐形传送两比特未知原子态方案。在此方案中,用一个三粒子纠缠态作为量子信道,传送两比特未知原子态。     

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(Entanglement Swapping),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.为了完成纠缠交换实验,必须有两组相互独立的纠缠态.对于连续变量系统,应该获得两组具有经典相干性的EPR纠缠态光场.我们利用自行研制的瓦级连续双波长输出Nd3+: YAP/KTP稳频激光器为泵浦源,泵浦两台结构完全相同的非简并光学参量放大器(NOPA),获得了具有经典相干性的两组独立的EPR纠缠光束.本文将分析两组EPR光束的经典相干性,并讨论不完善匹配效率对关联测量的影响.     

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     

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。     

双模最小关联混合态作为量子信道实现量子隐形传态的保真度

基于Braunstein和Kimble提出的B-K方案以双模最小关联混合态作为量子信道实施对未知量子态的隐形传送，并以传送相干态为例进行了研究.结果表明：双模最小关联混合态作为一种广义的Einstein-Podolsky-Rosen型纠缠态在实现量子隐形传态中能很好地担当量子信道的角色，在纠缠度和压缩度选择适当的条件下被传送未知量子态的保真度可以达到1.这是比双模压缩真空态更优越的量子信道. 关键词： 量子隐形传态 双模最小关联混合态 保真度     

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.     

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.     

量子网络中任意两个网点间量子态的隐形传送

提出了在量子网络中任意两个网点间进行量子态的隐形传送的方案.在我们的方案中,应用了n个粒子的缠结态作为量子通道.对于非最大缠结态,我们讨论了量子态的几率隐形传送问题.     

基于四组分纠缠态的量子离物传态

提出了一种利用四组分纠缠态光场实现开放传输的量子离物传态网络的实验方案。将未知量子态在输入节点与纠缠态光场的一个子模进行联合测量后,可以根据需求选择经典通道的传输方向,在其他任意一个节点处恢复出该量子态。通过计算由三种不同传输方式恢复出的量子态的保真度,证明了三种方式均可成功实现量子离物传态,达到开放传输的目的。     

未知高维量子态的概率隐形传送

研究了未知的多维量子态的概率量子隐形传送问题.文中提出利用一个部分的三维两粒子纠缠态作为量子通道,概率传送未知的三维单粒子态的方案;然后通过利用两个部分的三维两粒子纠缠态作为量子通道,又提出了一种概率隐形传送未知的三维两粒子纠缠态的方案.并且对它们进行了推广:通过利用N个部分的d维两粒子纠缠态作为量子通道,可以把这种方案直接推广到未知的d维N粒子纠缠态的概率量子隐形传送.同样地,我们详细地列出了每个接收者所用的各种幺正变换.这样,我们就把未知的两维量子态的概率量子隐形传送问题研究推广到三维或多维量子态的概率量子隐形传送.与先前的研究方案相比,本文所提方案具有下列优点:处理方法不同,具体地说是在隐形传送的过程中所利用的幺正变换形式不同.在我们的方案中,接收者将引进一个具有初态为|0》A的d-维辅助粒子A,幺正变换U2采用d2×d2矩阵形式(对三维量子态来说d=3);而先前方案的接收者引进的是一个具有初态为|0》A的两维辅助粒子A,幺正变换U2采用2d×2d矩阵形式,即实际上就是过去方案的形式.也就是说,他们对其它粒子是进行多维处理,而对接收者引进的辅助粒子A只进行两维处理.     

实现光子的远程量子操作

量子纠缠的非局域性质为量子信息应用提供了强有力的工具,利用量子纠缠态可以实现量子隐形传态、量子密集编码、量子密码、远程量子态制备、远程量子态测量.这里,我们将给出一个基于两粒子纠缠态的利用局域操作和经典通信的远程量子操作的实验方案.该方案可以实现对单光子偏振态在Bloch球空间中绕固定方向进行任意旋转操作,或者绕任意方向进行180度旋转操作.