连续变量量子逻辑操作的实验研究

摘要

量子计算机可以用来解决一些经典计算机无法解决的问题。随着理论与技术的成熟，更多科学家加入该领域的研究，量子通信与量子计算取得了突飞猛进的发展，将对未来科学技术以及人类的发展与进步发挥巨大的推动作用。人类进入量子信息时代的梦想一定会变为现实。
　　连续变量纠缠态光场是发展量子计算和量子信息网络的重要基础资源之一。为了实现基于光学连续变量的量子计算，首先必须制备高纠缠度的纠缠态光场。在攻读博士期间，我完成的第一项研究工作是对制备纠缠态光场的实验装置进行改进，获得了6dB的连续变量纠缠态光场。之后利用连续变量四组份线性cluster纠缠态光场，实现了连续变量可控X操作的实验研究。为进一步研究量子计算做了必要的前期准备。
　　我所完成的主要研究工作如下:
　　1.利用高精细度的光学模清洁器，将非简并光学参量放大器(NOPA)的泵浦光束正交振幅和正交位相的噪声降低到量子噪声极限水平（即使泵浦光为真实的相干光）。同时通过改进电子学锁定系统，严格控制锁定系统带来的相位起伏噪声。通过以上实验条件的改进，我们将由非简并光学参量放大器产生的纠缠态光束的正交分量关联度从4dB提高到了6dB。实验结果显示，从非简并光学参量放大器输出的光束纠缠度还有进一步提升的空间。
　　2.设计了一种利用连续变量四组份cluster态，实现可控X操作的实验系统，并通过实验证实了该方案的可行性。我们利用量子离物传态技术将输入目标态和控制态的信息加载到输出态上。利用离线制备的cluster纠缠态，平衡零拍测量和电子学的前馈技术，将输入控制态的信息加载到输出目标态上。由于这个基于量子离物传态的实验方案利用了光学连续变量的非定域，决定性纠缠特性，所以具有非定域性和决定性等优点。同时通过比较利用和不利用cluster纠缠态时输出态保真度的提高，定量的说明了量子纠缠对计算精确度的影响。
　　3.在完善的量子信息系统中，需要利用更多组份的量子纠缠态，为此我们以六束正交位相压缩态光场为基础，通过选择比例合适的分束器耦合，设计了产生六组份和八组份等权重线性cluster态的实验方案，计算了抑制反压缩分量对cluster纠缠态量子关联的影响。这一设计和计算方法可以推广产生更多组份和不等权重的多组份纠缠态，为下一步研究提供了直接的理论参考。
　　所完成的有所创新的研究工作如下:
　　1.通过加入高精度光学模清洁器和对位相锁定系统的改进，利用非简并光学参量放大器实验获得了目前世界上纠缠度最高的两组份EPR纠缠态光场。
　　2.利用四组份线性cluster纠缠态光场，实验实现了连续变量可控X操作，并分析了实验结果的保真度。为单向量子计算机的实现提供了实验依据。
　　3.理论设计了产生6组份及8组份连续变量等权重cluster态的实验方案，并以4组份cluster态为例分析了等权重与非等权重cluster态的区别。

目录

摘要

第一章 绪论

第二章 量子计算中的基本概念

2．1 经典计算机

2．2 量子计算机

2．2．1 量子计算机的发展简介

2．2．2 量子计算机的优势及应用

2．2．3 量子计算机遇到的问题

2．3 量子计算的量子力学基础

2．3．1 量子力学的基本假定和基本原理

2．3．2 量子纠缠

2．3．3 量子逻辑门

2．3．4 量子算法

2．4 单向量子计算机

2．5 小结

第三章 连续变量高纠缠度光场的实验产生

3．1 引言

3．2 非简并光学参量放大器

3．2．1 非简并光学参量放大器发展简介

3．2．2 非简并光学参量放大器理论研究

3．3 获得连续变量高纠缠度光场的实验装置

3．3．1 非简并光学参量放大器(NOPA)

3．3．2 Bell态直接探测系统

3．3．3 高精细度光学模清洁器

3．3．4 获得连续变量高纠缠度光场实验装置

3．4 连续变量高纠缠度光场实验结果与讨论

3．5 小结

第四章 利用连续变量四组份cluster态实现可控X操作的研究

4．1 引言

4．2 连续变量四组份cluster态

4．2．1 连续变量多组份纠缠态简介

4．2．2 四组份等权重与非等权重cluster态

4．3 连续变量cluster态量子计算理论

4．4 相位锁定系统

4．4．1 激光器锁定系统

4．4．2 高精细度绿光模清洁器锁定系统

4．4．3 非简并光学参量放大器锁定系统

4．4．4 非简并光学参量放大器反位相锁定系统

4．4．5 两束光π／2相对位相差的锁定系统

4．4．6 平衡零拍探测系统0或π位相差锁定系统

4．4．7 平衡零拍探测系统π／2位相差锁定系统

4．5 探测器

4．5．1 探测器的选择

4．5．2 平衡零拍探测器的共模抑制比

4．5．3 干涉效翠

4．6 NOPA腔的经典增益

4．7 连续变量四组份等权重线性cluster态的实验实现

4．8 连续变量四组份cluster态实现可控X操作的实验方案

4．9 连续变量四组份cluster态实现可控X操作的实验装置及结果

4．9．1 实验装置及实验参数

4．9．2 实验结果及分析

4．10 小结

第五章 连续变量6-8组份cluster态产生系统的设计及运转特性分析

5．1 连续变量四组份纠缠态的理论研究

5．2 六组份线性cluster纠缠态产生方案

5．3 八组份线性cluster纠缠态产生方案

5．4 小结

第六章 总结与展望

参考文献

博士期间已发表的期刊论文

致谢

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