高亮度量子光源及其应用

摘要

量子信息科学是一门新兴的前沿性交叉科学，它以量子物理学基本原理作为依托，结合数学、计算机科学等学科为信息安全和计算机计算能力带来了革命性的改变。对于以光子作为载体的量子信息处理，高亮度量子光源的制备和操控就显得尤为重要。
　　目前典型产生量子光源的制备方式是基于非线性晶体自发参量下转换过程，本文主要介绍基于两种不同非线性晶体的量子光源制备与特征化，包括高亮度极化纠缠源和全同四光子源，并以此开展的两项工作：
　　1.海水信道量子通信。我们首次实现了传输长度为3.3m的自由空间海水信道的量子通信。我们利用单光子的6种不同极化经过海水信道得到了98％以上保真度的高保真态传输，且传输的过程矩阵接近完美信道传输；同时我们利用纠缠光子对验证了海水信道对纠缠的保持特性，我们在经过海水信道后依然能够观测到量子态的极化反关联特性与Bell不等式33个标准差破坏。我们可以预期在未来在远离海岸线的纯净海水中，结合蓝绿波段的海水通信窗口，能够实现更长距离的海水信道量子通信，并结合量子中继器，实现真正意义上覆盖全球的量子通信网络。
　　2.二维光子晶格中观察双光子非经典关联。我们利用飞秒激光直写技术，在硼硅酸盐玻璃中加工出二维光子晶格，在注入高亮度关联光子的情况下，首次观察到二维体系中全同光子非经典关联。我们对比全同与可分辨光子理论值和实验数据的相似度，分别得到相似度S=0.890±0.001和S=0.916±0.001，证明了基于芯片的光量子信息处理能够提供单光子级的片上操纵和高度的干涉相位稳定性。由于玻色子的聚束效应，我们观察到对Cauchy-Schwarz不等式破坏达到20个标准差。我们的实验为飞秒激光加工波导阵列能够在更复杂的二维体系中实现量子干涉和量子模拟提供了可行性依据，并提供了基于芯片光量子信息处理探索二维体系的新道路。

目录

第一章 绪论

第二章 量子信息基本概念与实验基础

2.1 量子信息基本概念

2.1.1 量子比特

2.1.2 量子通信

2.1.3 量子计算

2.2 量子光学实验基础

2.2.1 分束器

2.2.2 半波片与四分之一波片

2.2.3 单光子探测器

2.2.4 一维电动平移台

第三章 飞秒激光泵浦BBO晶体多光子源

3.1 飞秒激光系统

3.2 基于BBO晶体多光子源

3.2.1 自发参量下转换

3.2.2 量子纠缠

3.2.3 四光子源

3.2.4 光子频率关联与Hong-Ou-Mandel干涉

第四章 基于PPKTP晶体高亮度极化纠缠源的制备

4.1 准相位匹配

4.2 基于PPKTP晶体高亮度极化纠缠源

4.2.1 Sagnac干涉仪方案

4.2.2 高亮度极化纠缠源

4.3 纠缠源品质

4.3.1 极化关联曲线

4.3.2 Bell不等式检验

4.3.3 量子态层析

第五章 自由空间海水信道量子通信

5.1 海水信道衰减

5.1.1 海水的吸收

5.1.2 海水的散射

5.2 海水信道量子通信

5.2.1 单光子态传输

5.2.2 海水信道纠缠分发

第六章 二维光子晶格中光子非经典关联实验研究

6.1 波导耦合理论

6.2 二维光子晶格中的非经典关联

6.2.1 实验基本装置

6.2.2 光子芯片特征化

6.2.3 实验结果

6.3 分析与讨论

全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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