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.     

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     

对应于铯原子D1线连续可调谐正交压缩态光场的制备

铯原子D₁线的非经典光由于其波长接近于量子点的独特优势,在固态量子信息网络的发展中有着重要的应用前景.在之前的工作中,利用两镜连续简并光学参量振荡器中的参量下转换过程,制备出2.8 d B正交压缩真空态光场.然而,所产生光场的压缩度较低,对于对压缩光具有实用意义的可调谐性能也未做进一步探究.理论分析表明,光学参量振荡器后腔镜对信号光透射率的增加及内腔损耗的减小可以提高压缩度.因此,本文在该研究基础上,通过使用高光洁度腔镜及优化腔镜镀膜参数等方式对光学参量振荡器进行改良,降低了光学参量腔阈值,获得压缩度为3.3 d B的单模正交压缩真空光.当光学参量腔运转为参量反放大状态时,在系统稳定运行的情况下,制备的明亮压缩态光场能够连续调谐80 MHz,为其在量子信息网络中的应用奠定了良好的基础.     

利用PPKTP晶体产生真空压缩态及其Wigner准概率分布函数的量子重构

通过光学腔内置周期极化磷酸氧钛晶体的连续光学参量振荡器,以532nm光场为抽运场,产生1064nm的真空压缩态光场,利用平衡零拍探测技术得到3.41dB的实测压缩度,并采用量子层析技术重构出真空压缩态光场在相空间的Wigner准概率分布函数. 关键词： 真空压缩态光场 光学参量振荡器 量子层析 Wigner准概率分布函数     

利用PPKTP晶体半整块光学参量放大器产生1.5μm光通信波段明亮正交振幅压缩光

利用周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器获得了连续变量1.5μm光通信波段的明亮正交振幅压缩态光场。光学参量放大器工作于阈值以下反放大状态,阈值功率为220 mW。当780nm抽运光场功率为110 mW,1.5μm注入信号光场功率为115 mW时,下转换光场输出功率为80μW,实测的连续变量1.5μm明亮正交振幅压缩态光场的压缩度达3.0dB。     

压缩态光场的四阶量子干涉

采用半经典理论讨论了同一抽运源抽运的两个独立光学参量振荡腔(OPO)所产生的压缩态光场的四阶量子干涉效应．结果表明：在OPO振荡阈值处,输出光场压缩度最高但四阶量子干涉最弱,条纹可见度为33.3%,远离阈值时干涉越来越强. 关键词：     

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。     

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.     

弱抽运下光学参量过程中压缩真空场的光子统计性质

在理论和实验上研究了光学参量振荡中产生的弱压缩真空场的光子统计行为. 弱压缩真空具有强烈的光子聚束效应,这种比热光场更强的聚束效应在量子光学和量子测量中具有重要的应用. 利用远离阈值的光学参量振荡(optical parametric oscillator, OPO )过程,在实验上产生了该弱压缩真空输出,运转波长在铯原子线附近. 通过Hanbury-Brown-Twiss(HBT)测量了OPO输出光场的二阶关联函数,实验结果与理论分析基本一致. 关键词： 压缩真空态 二阶相干度 光学参量振荡     

压缩真空态光场在光纤中传输特性的研究

本文利用简并光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.5μm压缩真空态光场,压缩度为(5.03±0.13) d B。将已制备的1.5μm压缩真空态光场和同频率本地振荡光采用偏振复用的方式耦合注入单模光纤中进行传输,在理论和实验上研究了压缩真空态光场在光纤信道传输过程中经典和量子特性的演化,并讨论了本地振荡光在光纤信道中引起的声导波布里渊散射对传输过程的压缩真空态光场影响。实验测量了1.5μm压缩真空态光场在单模光纤中传输距离为8 km时,压缩度为0.14 dB,压缩特性仍得到保持。该研究为实现基于光纤的城域量子信息网络等奠定基础。     

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.     

1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备中的热透镜效应

本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中,高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型,定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时,周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型,理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下,重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率,在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下,在分析频率3 MHz处,直接测得光功率为200μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB,表明在本文实验系统中,高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。     

光场压缩态的产生及其在亚散粒噪声光学测量和量子信息中的应用

光场压缩态是一种非经典光场,它在超标准量子极限（SQL）的高精度光学测量、超低噪声光通信及量限通信等有着广泛应用前景,是物理学和信息科学交叉前沿研究课题,文章介绍了光场压缩态的产生及它在亚散粒噪声光学测量（sub-shot-noise=limit opical measurement）和量子信息中的重要应用。     

基于级联光参量放大器的碱金属原子跃迁线波段压缩光源分析

碱金属原子跃迁线波段压缩态光场是量子信息以及精密测量领域的重要量子资源.碱金属原子跃迁线波长短(760—860 nm),受限于非线性晶体的灰迹效应,光参量放大器制备的此波段压缩态光场的压缩度有限,目前典型值约3—5 dB.本文在光参量放大器的理论模型基础上,结合原子跃迁线波段压缩态光场实验制备面临的问题,研究光参量放大器输出光场量子噪声随其物理参数的变化规律,获得最优的物理参数.构建了级联光参量放大器的理论模型,以此为基础分别在分析频率2 MHz和100 kHz,研究了级联环路光学损耗以及相位噪声对级联系统输出量子噪声特性的影响.研究发现,对于兆赫兹波段的压缩,在低的光路损耗以及位相噪声前提下,级联2—3个光参量放大器可实现压缩的显著提升;对于低频段压缩,级联系统对压缩的增强较小.在目前的实验参数条件下,进一步探究了级联系统输出压缩态光场的量子极限以及频谱特性.本研究可为原子跃迁线波段压缩态光场压缩度的提升提供参考和指导.     

相互作用原子玻色-爱因斯坦凝聚体诱导的光场压缩效应

给出了光场与二能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)相互作用系统的哈密顿量，研究了原子 间相互作用对压缩相干态光场与原子BEC相互作用系统中光场正交压缩特性的影响.结果表明 ：光场两正交分量的涨落均随时间按余弦规律周期性地变化，其压缩性质依赖于光场的初始 压缩因子和压缩方向角，而原子间的相互作用影响光场正交分量的涨落随时间变化的幅度和 周期. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 压缩相干态 光场的正交压缩     

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.     

1064 nm高功率明亮压缩态光场制备实验中绿光诱导红外吸收效应

通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先,通过优化实验系统工作参数,提升反馈控制回路的锁定稳定性,当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时,在分析频率为3 MHz处,获得光功率为200μW、压缩度为(-10.7±0.2) dB的明亮压缩态光场。然后,根据实验数据,定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗,发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为(9±0.05)%,其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为(5.8±0.05)%,占总光学损耗的(64.4±0.05)%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为(6.0±0.05)×10^-2 cm^-1。当泵浦光单独注入光学参量放大器时,周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10^-4 cm^-1。由此可知,当高功率种子光注入光学参量放大器时,绿光诱导红外吸收效应使周...     

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。     

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.     

利用非简并光学参量振荡腔产生连续变量三色三组分纠缠态

利用半经典理论方法计算了运转于阈值以上的非简并光学参量振荡腔输出信号场、闲置场及反射抽运场的关联特性. 根据 van Loock 等提出的连续变量多组分纠缠判据, 计算结果表明, 常温下这三个光场的正交振幅分量与正交位相分量之间存在三组分量子关联, 得到了三色三组分纠缠态光场. 数值计算了关联噪声对参量振荡腔物理参数的依赖关系, 找出了产生三色三组分纠缠态产生的最佳运转条件, 为连续变量多组分纠缠态光场产生系统的设计提供了直接参考. 关键词： 连续变量 非简并光学参量振荡腔 三色三组分纠缠态