基于弱非线性实现非破坏性测量两光子Bell态及三光子Greenberger-Horne-Zeilinger态

基于弱非线性及线性光学元件提出非破坏性测量两光子Bell态及三光子 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)态方案. 方案中, 首先应用光束分束器及交叉克尔非线性介质对两光子Bell态进行对称性分析, 进而结合控制非门提出三光子分析方案实现对八个三光子GHZ态完全且非破坏性区分. 关键词： Bell态测量 Greenberger-Horne-Zeilinger态测量 弱非线性 量子非破坏性测量     

用弱交叉Kerr非线性实现光子极化纠缠Bell态的完全区分

基于相干态和信号位的光子数态与弱交叉Kerr非线性相互作用后,会在相干态上产生相位变化,并结合极化分束器构造了一个奇偶校验测量装置.用零差探测器对相干态的相位变化进行测量,实现对Bell态的非破坏区分.再利用控制非门和斜置的极化分束器对两信号位光子进行控制非操作和单光子测量,完成对四个Bell态的完全区分.用到的弱交叉Kerr非线性增加了区分方案在实验上实现的可行性.     

用弱交叉Kerr非线性实现光子极化纠缠Bell态的完全区分

基于相干态和信号位的光子数态与弱交叉Kerr非线性相互作用后,会在相干态上产生相位变化,并结合极化分束器构造了一个奇偶校验测量装置. 用零差探测器对相干态的相位变化进行测量,实现对Bell态的非破坏区分. 再利用控制非门和斜置的极化分束器对两信号位光子进行控制非操作和单光子测量,完成对四个Bell态的完全区分. 用到的弱交叉Kerr非线性增加了区分方案在实验上实现的可行性.     

弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的性能优化分析

测量设备无关量子密钥分发系统能够抵御任何针对单光子探测器边信道的攻击, 进一步结合诱惑态的方案, 可以同时规避准单光子源引起的实际安全漏洞. 测量设备无关量子密钥分发系统中, 非对称传输、分束器的不对称以及各个单光子探测器存在实际参数差异等光学系统的具体实现特征会对系统误码率和成码率等性能产生一定的影响. 本文针对采用弱相干光源的测量设备无关量子密钥分发系统, 引入单光子探测器品质因子的实验参数(暗计数与探测效率的比值), 通过量子化描述, 理论推导并模拟了误码率与单光子探测器品质因子、分束器反射率以及通信双方弱相干光源平均光子数之间的关系. 结果表明: 在X基偏振编码 和相位编码系统中, 当分束器的反射率趋近于0.5时, 误码率取最小值; 在偏振编码和相位编码系统中, 误码率随着单光子探测器品质因子的增大而增大; 在Z基偏振编码系统中, 误码率随分束器的反射率的变化会呈现较小的波动, 当分束器的反射率为0.5时, 若通信双方采用的平均光子数相差较大, 则误码率取最大值; 分束器的反射率和平均光子数对误码率的影响在Z基情况下不能等同, 但是对于X基编码和相位编码却能等同.     

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.     

非理想强度差起伏量子非破坏性测量的实验方案

提出了一种强度差起伏量子非破坏性（QND）测量的实验方案,该方案通过一个非简并光学参量放大腔实现。推导了在非理想状态下该系统的传输系数和量子态制备能力的关系式,分别讨论了探针输入噪声谱和探测系统测量效率对其测量的影响。结果表明：探针输入噪声越小,测量效率越高,则其测量质量就越好,且对测量效率越敏感。     

光折变介质中前向三波混频的量子相关特性

采用半经典和全量子理论，研究了前向三波混频中各光场之间的量子相关特性.结果表明，两束信号光之间有很强的量子正关联，而抽运光和信号光之间有很强的量子负关联.在半经典分析中，还研究了相位失配的影响.在全量子分析中，考虑了抽运光的量子起伏和损耗的影响. 关键词：     

量子非破坏性测量

测量过程对待测体系的干扰所造成的量子噪声限制着人们对微弱信号的检测，量子非破坏性测量提供一种克服量子噪声的新颖方法，原则上它能以任意精度探测到其微弱的信号。体文将介绍ＱＮＡ的基本原理和方法，以及实现ＱＮＤ测量所满足的条件，比较对谐振子进行经测量和ＱＮＤ测量的优劣，引入评价理想ＱＮＤ测量和非理想ＱＮＤ测量的三个相关度，并简介量子光学和非线性光学在ＱＮＤ测量中的应用。最后论述ＱＮＤ两个具体应用例子：产     

EPR纠缠光束时域量子关联的实验验证

我们利用平衡零拍探测系统和数据采集系统直接测量了EPR纠缠光束信号光场与闲置光场正交分量之间的时域量子起伏,验证了其量子关联.通过对EPR纠缠光束中的一束光场进行延迟,验证了信号光与闲置光不同步时将导致量子关联减弱乃至消失.我们的实验结果为开展连续变量量子密钥分发、非高斯态的实验制备和纠缠纯化奠定了实验基础.     

单光分束器的量子变换算符研究

针对理想情况下单光分束器,得到了其对应的变换矩阵.用相干态表象和有序算符内积分技术,给出其对应的幺正变换算符.纠缠态的实验制备方案,说明单光分束器在量子信息源研究中具有十分重要的作用.     

退相干条件下两比特纠缠态的量子非局域关联检验

量子纠缠态的量子非局域关联特性在当前量子信息和量子计算协议中起着重要的作用.然而,任何实际的物理系统都不可避免地与周围环境相互作用,使得在量子信道中的传输过程中,量子态会发生相干性退化,进而弱化量子态的量子非局域关联特性.本文利用一种基于Hardy-type佯谬的高概率量子非局域关联检验方案,分别研究了两比特偏振纠缠态在经过振幅阻尼信道(ADC)、相位阻尼信道(PDC)和退极化阻尼信道(DC)后的量子非局域关联检验情况.研究结果表明,DC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较大,而PDC传输信道对量子态的量子非局域关联检验特性影响较小.最后,本文还给出了利用弱测量结合弱测量反转操作克服ADC退相干时,偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验的条件.结果表明,当弱测量的强度增大时,可有效地降低ADC退相干效应对偏振纠缠态成功进行量子非局域关联检验造成的影响.     

单光子量子非破坏测量的实验实现

通常来说,光子的探测过程是一个破坏性的过程.将光信号转化为电信号,通过对电信号探测来得到光场的信息.在此过程中,"消灭”掉了光子,"产生”了光电子,因而无法对同一光子进行重复测量.但量子力学从本质上并没有这样的限制.比如,采用量子非破坏(QNDquantum non-demolition)测量方案,在量子光学领域中,已经实现了光强度的QND测量. 光强度QND测量是通过参考光束得到信号光束信息的.让参考光束与信号光束发生非共振相互作用一这样既保证了相互之间没有能量的交换(即不破坏信号光束),又保证了参考光束能从信号光束中抽出信息,同时信号光束的信息体现在参考光束波函数变化的相位上,用光学干涉仪对此变化观测,就得到信号光束的信息.     

纠缠相干态的纠缠浓缩

利用线性光学元器件对光场量子态进行操纵,可以实现远程的量子纠缠调控和量子通讯.通过分析光学分束器对相干态光场的作用,发现当初始光场态是两个两部分纠缠态的直乘时,让其中的两模通过光学分束器作用后再对其进行光子计数,另外两模将会塌缩到新的纠缠态.基于这个特点,提出了一个实现部分纠缠相干态纠缠浓缩的方案.在这个方案中,两个部分纠缠相干态被用来作为量子信道,通过光学分束器作用后对光场进行光子数探测时,如果测量到光场的两模分别处于奇光子数态和零光子数态,则光场另外的两模将塌缩到最大纠缠态,从而完成纠缠浓缩的过程.计算结果表明,对于纠缠相干态,无论其初始的纠缠是多么微弱,利用这种方法总有一定的几率可以从中提纯出最大纠缠态.     

级联四波混频相干反馈控制系统量子纠缠特性

本文在级联四波混频结构基础上,利用光学分束器作为反馈控制器理论构造了一种相干反馈控制系统.考虑相干反馈回路中光束传输损耗以及原子对光束吸收损耗,通过计算系统的协方差矩阵以及利用部分转置正定判据,分析了该系统在不同反馈强度、增益以及相位下的纠缠特性.结果表明,系统存在真正的三组份纠缠,但是反馈控制器过度反馈会破坏系统的三组份量子纠缠特性.另外,将相位设为180°,通过适当改变增益大小以及在0.1—0.4范围内调节分束器反射率的大小可以增强系统的量子纠缠程度.本文为实验上基于级联四波混频相干反馈控制系统制备多组份纠缠奠定理论基础,在量子通信领域有着潜在应用.     

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。     

平衡零拍测量对连续变量量子密钥分配的影响

与单光子量子密钥分配采用单光子探测器不同，连续变量量子密钥分配采用平衡零拍测量技术.分析了由于参考光的真空噪声、分束器的透射率和反射率不相等引入的平衡零拍测量误差，以及平衡零拍测量探测器的电子噪声对连续变量量子密钥传输的最大安全距离的限制，给出了平衡零拍测量的探测噪声、电子噪声和密钥量之间的定量表达式.     

基于数字非线性锁相环的相干态相位估计

基于量子理论获取相位参数的导航机制,理论上可以突破经典物理极限对导航精度的限制.利用量子零拍探测对相干态光场相位进行测量时,通常需要相位与之正交的本振光才能使测量精度达到量子标准极限.由于导航信号相位的高非线性特点,想要利用传统的线性锁相环获取完全满足条件的本振光具有一定的难度.为此,本文设计了一种基于容积准则的非线性锁相环,实现了在非正交本振光的条件下对相干态相位进行精确测量的功能.首先,利用相干态的Wigner函数推导了其相位在量子零拍探测的输出结果,设计了量子相位估计的非线性数字锁相环框架.然后基于正交单纯形容积准则设计了非线性滤波算法实现锁相环功能,该锁相环通过对本振相位进行多次状态更新,最终实现非线性迭代估计.实验结果表明,本文方法突破了本振光相位需与相干态相位正交的局限性,避免了传统量子锁相环方法引入的线性化误差,实现了对相干态相位的准确、稳定估计.     

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.     

测量光子的数目

根据量子力学,一个孤立系统总是由其所有可能的态按照一定的几率叠加而成的,对该系统进行多次测量,得到的结果是以一定几率的分布．也就是说,在测量时系统经历了从叠加态到某单一态的转变,或者说测量起到了瓦解系统态叠加的作用．最近物理学家发现,实验上可以目击在测量时系统所发生的这种转变．法国Ecole Normale Superieure机构的Serge Haroche教授和其同事发展了一种新的量子非破坏性测量技术,并首次观测到了相干光场中的这种转变过程．     

粗糙目标合成孔径激光雷达信号仿真

建立粗糙表面的蒙特卡罗模型,研究目标表面高度起伏对光外差信号的调制效应,对不同粗糙程度的目标引起的退相干效应进行定量分析,给出光外差信号恶化与粗糙目标表面参量的定量关系.结果表明:当相关长度为100λ,光外差信号随着高度起伏均方根的增大而减小,当高度起伏均方根超过0.2λ时,光外差信号非常微弱;当均方根高度起伏为0.1λ时,光外差信号随相关长度的减小而减小,给光外差探测造成困难.