“量身定做”单光子波包：在量子网络中控制光子/自旋量子界面

文章简要地介绍了如何在量子网络中控制量子界面动力学以实现静态量子比特和动态量子比特的相互转换. 具体言之,该界面由半导体量子点、固体光学微腔以及光学波导管构成, 静态及动态比特分别为量子点中的电子自旋和波导管中的单光子波包所携带. 界面动力学的控制则是基于对量子点、微腔和波导管耦合系统的量子电动力学的严格求解. 据此可实现网络中两个远距离节点间的量子态传输、交换以及确定性的建立量子纠缠等量子操作. 上述量子界面亦可用于任意指定波形的单光子源或者单光子探测装置.     

腔量子电动力学系统中耦合三原子的纠缠特性

研究了三个全同二能级原子与单模腔相互作用系统中原子间的三体纠缠特性.考虑原子间存在相互耦合,并且腔场处于弱相干态的情况,通过数值计算给出了纠缠量的演化曲线,讨论了原子间耦合强度和弱相干场强度对三体纠缠的影响.研究结果表明:随弱相干场强度增强,原子间的三体纠缠增强;相反,随原子间耦合系数增大,原子间三体纠缠减弱.     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

增光子二模纠缠相干态的纠缠特性及其通过腔量子电动力学的制备

分析了增光子二模纠缠相干态的纠缠特性,得到共生纠缠度的解析表示式.结果表明:增光子二模纠缠相干态的共生纠缠度与叠加态的相位有非常灵敏的关系.提出了一种制备增光子相干态和增光子二模纠缠相干态的方法,其制备过程为首先把增光子相干态转化为相干态与真空态一种特殊的叠加态(叠加系数与相干态振幅有关),再通过位于高Q腔内的原子与经典激光场的相互作用,从而实现增光子相干态的制备.通过一个飞行原子先后与两个光腔中光场相互作用可以实现增光子二模纠缠相干态的制备.     

增光子二模纠缠相干态的纠缠特性及其通过腔量子电动力学的制备

分析了增光子二模纠缠相干态的纠缠特性,得到共生纠缠度的解析表示式.结果表明:增光子二模纠缠相干态的共生纠缠度与叠加态的相位有非常灵敏的关系.提出了一种制备增光子相干态和增光子二模纠缠相干态的方法,其制备过程为首先把增光子相干态转化为相干态与真空态一种特殊的叠加态(叠加系数与相干态振幅有关),再通过位于高Q腔内的原子与经典激光场的相互作用,从而实现增光子相干态的制备.通过一个飞行原子先后与两个光腔中光场相互作用可以实现增光子二模纠缠相干态的制备.     

开放式法布里-珀罗光学微腔中光与单量子系统的相互作用

光与物质相互作用的过程具有丰富的物理内涵,不仅有助于理解光的本质,更可以提供一种有效操控物质的手段.开放式光学微腔具有光场强局域性、频率域和空间域的可调谐性以及光纤可集成性等特点,为研究微腔内的光与物质相互作用提供了一个理想平台.本文首先介绍基于开放式法布里-珀罗微腔的腔量子电动力学系统的基本特性,然后介绍开放式法布里-珀罗微腔结构的制备方法,进而从弱耦合、强耦合和差发射体三方面着重介绍近年来开放式微腔与固态单量子系统相互作用的研究工作,最后进行了总结与展望.     

InAs/GaAs量子点1.3 μm单光子发射特性

采用双层耦合量子点的分子束外延生长技术生长了InAs/GaAs量子点样品,把量子点的发光波长成功地拓展到1.3 μm.采用光刻的工艺制备了直径为3 μm的柱状微腔,提高了量子点荧光的提取效率.在低温5 K下,测量得到量子点激子的荧光寿命约为1 ns;单量子点荧光二阶关联函数为0.015,显示单量子点荧光具有非常好的单光子特性;利用迈克耳孙干涉装置测量得到单光子的相干时间为22 ps,对应的谱线半高全宽度为30 μeV,且荧光谱线的线型为非均匀展宽的高斯线型.     

利用三原子W类纠缠态在腔量子电动力学体系中实现单原子态的远程制备

提出了两个利用三原子W类纠缠态作为量子通道.在腔量子电动力学(QED)体系中实现单原子态的远程制备方案:一个是接收者借助于原子与单模腔场之间的大失谐相互作用实现初始态重建,另一个则是接受者利用原子与单模腔场之间的共振相互作用完成远程态制备.两方案中都涉及到了一位发送者和两位接收者,发送者可以将被传送态远程制备到两位接收者中的任何一位的手中,而另一位接受者必须为其提供必要的协助.表明利用原子与腔场之间的大失谐相互作用的方法可以很好地克服腔场的消相干,降低对腔品质因子的要求;而利用共振相互作用的方法则无需引入辅助原子,操作简便.但不论采用何种方法,实现单原子远程态制备的总成功概率是相同的.     

铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的紫外单光子激发及量子亏损测量

基于成熟的光纤激光器、光纤放大器及高效激光频率转换技术,我们在实验中研制了一套瓦级输出的窄线宽连续波单频可调谐318.6 nm紫外激光系统,并在室温铯原子气室中实现了6S_(1/2)—nP_(3/2)(n=70—94)单光子跃迁里德伯激发.借助由铯原子6S_(1/2)(F=4)基态、6P_(3/2)(F′=5)激发态和nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态构成的V型三能级系统,通过频率锁定于铯原子6S_(1/2)(F=4)—6P_(3/2)(F′=5)超精细跃迁的852.3 nm探测光束的吸收减弱信号获得了里德伯态的信息,并利用高精度波长计测量了铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的量子亏损值.经过与理论计算值的变化趋势进行对比,我们认为由于原子气室的里德伯屏蔽效应并不能完全屏蔽外部直流电场,铯原子气室内存在残余的直流电场,影响了对里德伯态的量子亏损值的实验测量.利用残余直流电场的Stark效应理论模型及其与有效主量子数n*的依赖关系,对铯原子里德伯态的量子亏损实验测量值进行了修正.修正后的铯原子nP_(3/2)(n=70—94)态量子亏损测量值为3.5591±0.0007,与理论计算值相吻合.     

Scheme for implementing perfect quantum teleportatior with four-qubit entangled states in cavity quantum electrodynamics

Recently, Peng et al. [2010 Eur. Phys. J. D 58 403] proposed to teleport an arbitrary two-qubit state with a family of four-qubit entangled states, which simultaneously include the tensor product of two Bell states, linear cluster state and Dicke-class state. This paper proposes to implement their scheme in cavity quantum electrodynamics and then presents a new family of four-qubit entangled state ｜Ω/1234. It simultaneously includes all the well-known four-qubit entangled states which can be used to teleport an arbitrary two-qubit state. The distinct advantage of the scheme is that it only needs a single setup to prepare the whole family of four-qubit entangled states, which will be very convenient for experimental realization. After discussing the experimental condition in detail, we show the scheme may be feasible based on present technology in cavity quantum electrodynamics.     

Scheme for implementing perfect quantum teleportation with four-qubit entangled states in cavity quantum electrodynamics

Recently, Peng et al. [2010 Eur. Phys. J. D 58 403] proposed to teleport an arbitrary two-qubit state with a family of four-qubit entangled states, which simultaneously include the tensor product of two Bell states, linear cluster state and Dicke-class state. This paper proposes to implement their scheme in cavity quantum electrodynamics and then presents a new family of four-qubit entangled state |Ω₄>₁₂₃₄. It simultaneously includes all the well-known four-qubit entangled states which can be used to teleport an arbitrary two-qubit state. The distinct advantage of the scheme is that it only needs a single setup to prepare the whole family of four-qubit entangled states, which will be very convenient for experimental realization. After discussing the experimental condition in detail, we show the scheme may be feasible based on present technology in cavity quantum electrodynamics.     

量子点单光子源的光纤耦合

半导体量子点在低温下产生谱线细锐的激子发光可制备单光子源.光纤耦合可避免低温共聚焦装置扫描定位和振动影响,是实现单光子源即插即用和组件化的关键技术.在耦合工艺上,基于微区定位标记发展出拉锥光纤与光子晶体腔或波导侧向耦合、大数值孔径锥形端面光纤与量子点样片垂直耦合等技术;然而,上述工艺需要多维度精密调节以避免柔软光纤的畸形弯曲实现对准和高效耦合.陶瓷插针或石英V槽封装的光纤无弯曲且具有大平滑端面,只要与单量子点样片对准贴合就可保证垂直收光, V槽封装的排式光纤还可通过盲对粘合避免扫描对准,耦合简单.本文在前期排式光纤粘合少对数分布Bragg反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)微柱样片实现单光子输出基础上,经理论模拟采用多对数DBR腔提升样片垂直出光和光纤收光效率,使光纤输出单光子计数率大大提升.     

基于两原子同时和腔场共振作用制备两原子纠缠态的腔QED方案(英文)

我们提出了一个将两个远离的原子制备成纠缠态的腔QED方案,该方案基于两个原子同时和一个腔场发生共振作用.在这个方案里,我们利用一个事先制备好的纠缠态将另外两个分离的原子制备成纠缠态.该方案仅包含两个原子和腔场的共振相互作用,不需要用腔场存储量子信息,并且原子和腔场作用时间极短.因此,我们的方案基于目前的腔QED技术是可以实现的.     

One-step generation of qutrit entanglement via adiabatic passage in cavity quantum electrodynamics

A scheme is proposed for generating a three-dimensional entangled state for two atoms trapped in a cavity by one step via adiabatic passage. In the scheme, the two atoms are always in ground states and the field mode of the cavity excited is negligible under a certain condition. Therefore, the scheme is very robust against decoherence. Furthermore, it needs neither the exact control of all parameters nor the accurate control of the interaction time. It is shown that qutrit entanglement can be generated with a high fidelity.     

基于单光子双量子态的确定性安全量子通信

量子通信是量子科学技术的一个重要研究领域,是一种利用量子力学原理,能够在合法各方之间安全地传输私密信息的通信方式.基于单光子的确定性安全量子通信通常需要在发送方和接收方之间来回两次传输单光子态,并利用局域幺正变换加载信息.本文提出了一种单向传输单光子态的确定性安全量子通信方案.发送方利用单光子的极化和time-bin两自由度构成的两组共轭基矢量来编码经典逻辑比特.接收方通过设计合适的测量装置可以在发送方辅助下确定性地获取比特信息并感知窃听,从而实现信息的确定性安全传输.另外,我们的协议使用线性光学元件和单光子探测器,可以在当前的量子通信装置上实现.     

Perfect photon absorption based on the optical parametric process

The perfect photon absorption is studied in a cavity quantum electrodynamics(CQED) system, in which an optical parameter amplifier(OPA) is coupled to the cavity mode. This makes it possible to control the optical phase to realize the perfect photon absorption. It is found that in the presence of one and two injected fields, the perfect photon absorption is present in these two cases and can be controlled by adjusting the parametric phase. Moreover, different from the previous predictions of perfect photon absorption in atomic CQED systems, the perfect photon absorption can be changed significantly by the relative phase. Our work provides a new platform to use the parametric processes to make an available way to control the behaviors of photons and to take advantage of the optical phase to achieve the perfect photon absorption.