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。     

高灵敏度的量子迈克耳孙干涉仪

迈克耳孙干涉仪不仅可以用来研究物理学的基本问题,而且能够用于精密测量,比如引力波信号的测量.因此,构建高灵敏度的迈克耳孙干涉仪是实现微弱信号测量的关键.目前,人们利用压缩态可以降低迈克耳孙干涉仪的噪声;通过光学四波混频过程能够放大马赫·曾德尔干涉仪中的相位信号,从而提高干涉仪的信噪比和灵敏度.本文研究了一种用于高灵敏度相位测量的量子迈克耳孙干涉仪.在迈克耳孙干涉仪中,利用非简并光学参量放大器取代干涉仪中的线性光学分束器;并且将压缩态注入干涉仪的真空通道,可以得到高信噪比和高灵敏度的干涉仪.由于存在不可避免的光学损耗,分析了迈克耳孙干涉仪内部和外部的损耗对相位测量灵敏度的影响.通过理论计算研究了干涉仪的相位测量灵敏度随系统参数的变化关系,得到了高灵敏度的相位测量量子迈克耳孙干涉仪的实现条件,为用于精密测量的干涉仪的设计提供了直接参考.     

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。     

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。     

基于光学参量放大器的量子干涉仪的分析

高精度光学干涉仪是实现精密测量的重要工具之一,干涉仪的最终灵敏度受限于真空起伏决定的标准量子极限(SQL)。利用量子资源可以实现突破SQL的相位测量。在基于光学参量放大器(OPA)的量子干涉仪中,将干涉仪两臂中OPA产生的相位压缩态直接作为相敏量子态,通过同时降低散粒噪声和放大相敏场强可以使其灵敏度无条件地突破SQL。然而,量子态对损耗是非常敏感的。通过分析量子干涉仪的各种损耗对其灵敏度的影响,得出了量子干涉仪灵敏度与各种损耗的依赖关系。同时,通过分析灵敏度与分析频率等其他物理参量的关系,得出了进一步优化系统灵敏度、带宽等性能的实验参数。     

平面自旋压缩态的产生与原子干涉的机理

在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现自旋压缩和量子纠缠, 对于提高原子干涉测量相位灵敏度和原子钟精度有着非常重要的意义. 基于一种新的平面自旋分量的不确定性关系, 介绍了如何利用两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中原子间相互作用提供的非线性效应和原子内部能级间线性耦合, 实现量子平面自旋压缩(挤压)和模式纠缠. 描述了一项关于平面压缩态的理论工作, 该工作利用哈密顿量的精确对角化求解系统基态, 优化非线性作用和线性耦合强度比值, 使得包含平均自旋方向在内的两个正交自旋分量的不确定度同时压缩, 因此在平面上所有相位角度的涨落都受到压制, 而在与该平面垂直的第三个自旋分量方向反压缩. 利用传统自旋压缩判定纠缠, 只能判断多个不可分辨的原子处于纠缠态, 而平面自旋压缩可以检测两个可区分模式(比如, 原子内态)间的纠缠, 从而在不同模式间进行量子信息处理. 同时, 为实现超越标准量子极限的原子干涉相位精密测量, 传统方式是利用单个自旋分量压缩, 但需要对待测相位角度有很好的估计, 或者可以进行多次测量以逐渐逼近可获得的最大压缩极限, 这就要求量子态可以被精确的重复制备. 而利用平面自旋压缩, 对任意未知相位角度只需要测量两个垂直自旋分量就可以实现高的相位测量灵敏度.     

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。     

基于自发参量下转换源二阶激发过程产生四光子超纠缠态

目前,多光子纠缠态的制备大多通过线性光学器件演化自发参量下转换一阶激发过程产生的纠缠光子对得到.本文考虑由自发参量下转换源二阶激发产生四个不可区分的纠缠光子制备四光子超纠缠态的情况.通过几组分束器、半波片和偏振分束器等线性光学器件设计量子线路演化四光子系统,结合四模符合探测,可得到同时具有偏振纠缠和空间纠缠的四光子超纠缠态.     

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.     

频率非简并第I类自发参量下转换纠缠光子对量子特性

理论研究了频率非简并第I类自发参量下转换过程中产生的纠缠光子对的量子特性,且与频率简并的情况做了对比.通过纠缠光子对的联合谱强度分析了纠缠光子对的光谱特性及纠缠特性;通过洪-区-曼德尔干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪分析了纠缠光子对的量子干涉特性.结果表明:脉冲泵浦作用下,由于频率非兼并使得相位匹配函数不对称,导致两纠缠光子可区分,量子干涉可见度减小.随着泵浦脉冲频宽的增加,这种效应更加明显.连续激光泵浦时,相位匹配函数是对称的,得到最大的纠缠度和量子干涉可见度.该研究为频率非简并纠缠光子源在各种量子信息方案中的应用提供理论指导.     

六光子超纠缠态制备方案

自发参量下转换对应于一种非线性光学过程, 实验上作为一种标准方法, 人们利用自发参量下转换源产生纠缠光子对. 本文考虑由自发参量下转换源产生三对纠缠光子的情况. 通过使用由几组偏振光 束分束器、分束器和半波片等线性光学器件组成的量子线路演化三对光子, 给出了一个高效制备 包含偏振纠缠和空间纠缠的六光子超纠缠态方案. 因为方案中包含了参量下转换源产生三对纠缠光子 的所有可能情况, 所以本方案有很高的效率. 基于弱非线性介质构建了一个量子非破坏性测量装置, 用于区分光子在两指定的空间模中的两种分布情况. 特别地, 方案中可以通过合理约束在量子非破坏性测量过程中引入的非线性强度来达到实际实验所限定的数量级, 因此, 该方案易于在实验上实现.     

纠缠压缩真空态的纠缠转移

通过分析光学分束器对压缩真空态光场的作用,发现如果分束器的输入光是两束具有同样振幅和相位的单模压缩真空态光场,则输出光为双模压缩真空态光场;若分束器的输入光是两束具有同样振幅但有π相位差的单模压缩真空态光场,则输出光仍为两束单模压缩真空态光场.对于双模压缩真空态光场,每个模中容纳的光子数可以是基数或偶数.而对于单模压缩真空态光场,每个模中只能包含偶数个光子.根据这些结果,提出了一个纠缠转移的方案.在这个方案中,两个纠缠压缩真空态光场被用作量子信道,通过利用光学分束器作用和光子数探测的方法,并在经典通讯的帮助下,实现了三个通讯伙伴之间的纠缠转移.     

探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响

研究了强度差测量方案下,探测器量子效率对光子数态、关联数态、压缩真空态三种量子光源注入的马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响.获得了相位测量灵敏度与效率的定量关系,比较了探测效率对不同量子态注入的干涉仪相位灵敏度的影响.研究表明：光子数态注入时,相位测量灵敏度始终不能超越标准量子极限;关联数态注入时,无论多大的光子数,要获得相位测量的量子增强,探测效率不得小于75%;对于压缩真空态,只要有压缩存在就可以获得一定的相位测量的量子增强;关联数态、压缩真空态的注入,相位灵敏度皆随探测效率的增大而不同程度的提高,且压缩真空态比关联数态具有更好的量子增强效果.给出了在量子增强的精密测量实验中对探测效率的要求,并结合实际应用说明了探测效率的提高有助于提高干涉仪探测的灵敏度.     

压缩真空场与原子非线性作用过程中的纠缠与消纠缠

用Von Neumann熵研究了附加克尔介质的压缩真空场与二能级原子依赖强度耦合相互作用量子体系的量子纠缠特性.讨论了初始压缩真空场的压缩度以及克尔非线性作用的强度对该量子体系纠缠特性的影响.结果表明，克尔介质的非线性作用的强弱可以改变体系量子纠缠的周期性；在初始压缩度较大（r=5）时，克尔介质的非线性作用可导致原子与场持续地处于最大纠缠态，无消纠缠态或持续地处于消纠缠态. 关键词： 压缩真空态 克尔介质 依赖强度耦合J-C模型 Von Neumann熵 量子纠缠     

优于12dB压缩态光场的产生与观察

压缩态、振幅压缩态和非经典相关态光场等均为非经典光场。压缩态体现着光场的一种新的量子特性,对它的研究有着重大的科学意义;而且因其电场正交相分量之一的量子噪声可低于散粒噪声极限(shot noise limit简称SNL)在光通信、光计算机、光学精密测量及光谱学、非线性光学中有着十分诱人的应用前景。 继非经典相关态光场产生与观察后,最近作者采用负反馈半导体激光器和平衡零拍探测器成功地产生并观察到了低于散粒噪声极限以下12dB的压缩态光场。本文所报道的产生压缩态光场的实验方案不同于业已报道的参量产生方案(如参量转换、四波混频等):首先实验利用半导体激光器作光源,经分束器将很少一部分光作为信号光束,而其主要部分光作为本振光束。没有用到光学腔,强泵浦光和非线性材料;其次,采用了信号光场量子涨落的     

利用非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪探测频率非简并纠缠态光场

采用两对光纤构成的非平衡Mach-Zehnder干涉仪,对非简并光学参量振荡腔产生的20mW频率非简并孪生光束间的强度差与位相和的关联噪声进行测量,在分析频率为2MHz处测得关联噪声分别低于散粒噪声基准31和13dB,从实验上证实了在较低分析频率处孪生光束之间有较高量子纠缠. 关键词： 光学参量振荡腔 孪生光束 光纤Mach-Zehnder干涉仪     

利用分束器通过条件测量制备非经典光场态和量子纠缠态

把相干态和单粒子数态作为分束器的输入态，通过条件测量可以剪去输入相干态中的任意粒子数态，并研究了这些被剪切了的光场态的性质。结果显示剪去真空态和单粒子数态的输出态具有较强的压缩和亚泊松分布等非经典效应。把剪切了的输出态和真空态输入分束器，得到的输出态具有量子纠缠性质，从而制备出量子纠缠态，同时也验证了被剪切的输出态的非经典性。     

连续变量量子离物传态的实验研究

利用单个Ⅱ类相位匹配OPA产生的双模压缩态实现连续变量压缩纠缠态，完成了连续变量量 子离物传态. Ⅱ类相位匹配OPA参量反放大过程可以实现正交振幅反关联、正交位相关联的 压缩纠缠态，这不同于一般运转于阈值以下的OPO产生的正交振幅关联、正交位相反关联的 压缩纠缠态，可以采用直接平衡测量的方法完成Bell态测量. 利用双KTP补偿非线性过程的 离散效应，获得了最大压缩大于2dB的双模压缩纠缠态，实现保真度06，考虑到探测效率 实际保真度为057. 这种方案简化了测量方法与纠缠光源产生装置，有利于进行量子通信 的实验研究与应用. 同时，讨论了探测过程中的一些非理想因素. 关键词： 量子离物传态 压缩纠缠态 Bell态测量     

相干反馈相位对腔光力系统中正交模劈裂的影响

强耦合是腔光力系统用于产生和观察许多宏观量子现象（如光力压缩态和纠缠态等）的基本条件，系统进入强耦合的明显标志是正交模劈裂。本文理论分析了加入光学参量放大器和相干反馈的光力系统中的正交模劈裂现象，并讨论分析了反馈回路的光学相位对正交模劈裂的影响。在不同参数情况下，如光学参量放大器参量增益、反馈分束器的反射系数和输入光功率等，模式位置和线宽随相移的变化。结果表明：在其他参数一定时，通过调节反馈相位，初始无模式劈裂的系统随相位变化出现模式劈裂并达到最大的模式间隔，从而从弱耦合进入强耦合状态。而且，多个参数的协同调节，可有效提高模式劈裂的程度。该研究为实验上增强光力耦合强度的实验调节提供了方便，可广泛用于光力系统的弱力灵敏探测以及宏观量子态产生与测量等。     

基于SSA-BP网络模型的Hong-Ou-Mandel干涉时延测量研究及其在量子陀螺仪中的应用

作为航空航天导航系统的重要器件,高灵敏度的光学陀螺仪一直是国内外科研工作者的研究重点.经典光学陀螺仪因真空零点波动使其灵敏度受到散粒噪声极限的制约,无法满足日益发展的量子导航需求.本文提出了基于频率纠缠源及Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉的量子陀螺仪方案,利用SSA-BP神经网络模型模拟不同的泵浦光和非线性晶体参数,以预测HOM干涉图谱的特性参量干涉可见度及干涉宽度.结合量子Fisher信息理论,获得时延差的最大量子Fisher信息可达1.999,计算得出时延差的不确定度与散粒噪声极限的最小比值为0.707,并依据量子陀螺仪时延差与旋转角速度的关系,验证出旋转角速度的测量灵敏度较经典光学陀螺仪提高了2个数量级.证明上述方案可以实现超越散粒噪声极限的测量灵敏度,能为后续量子陀螺仪的实验验证提供理论支持.