基于PPLN晶体的纠缠源制备和频谱纯度优化

摘要

量子纠缠是量子通信中重要的部分，也是有别于传统通信的一个明显特征，从出现到在通信领域的应用，这过程中吸引了社会各界的目光，与此同时，量子信息科学也得到迅猛的发展。随着理论和实验研究的不断完善和深入，纠缠源的制备技术也越来越成熟，在纠缠光子制备的方法上有了很多改进，产生的纠缠光子对的质量得到很大的提升，同时在产生纠缠光子的数目上也有重大突破，从最初的双光子对到现在实现八光子的制备，这对以后通信技术的深入研究和实际应用都有着重大的意义。纠缠源发展过程中，偏振纠缠的光子对一直占据着重要的地位也量子通信研究的重点，本论文也主要围绕着偏振纠缠源展开。
　　论文主要分成下面三个部分，首先介绍量子纠缠的发展历程，从出现到逐渐被完善，在这部分中对发展历程中的主要几个理论和具有代表性的实验进行简单的描述，同时对量子纠缠中出现的重要概念和数学运算做一些描述，以便更好的理解后面的实验和计算部分。第二部分和第三部分是本论文的重点介绍内容，第二部分主要介绍偏振纠缠态的制备实验的整个流程，该实验利用泵浦光入射到掺氧化镁的PPLN晶体中，在经过自发参量下转换（SPDC）的过程后制备出偏振纠缠的光子对，并在实验之后对产生的光子对进行测量，主要是进行单光子计数和符合计数的测量，并进行分析。第三部分主要是理论计算，首先利用Schmidt分解的方法计算在PPLN和不同掺杂浓度的PPMgLN中通过类型二SPDC过程产生纠缠光子对的频谱纯度，得到频谱纯度与晶体长度和泵浦波长和带宽的关系，在此基础上选择合适的晶体参数，泵浦波长和带宽，使得产生的偏振纠缠光子对在通信波段有较高的频谱纯度，从而代替传统的使用滤波消除频谱相关的方法，达到不以损耗光子对数目而提高纠缠光子对质量的目的。第三部分的后面部分提出一个新方案，减小产生的光子对的带宽，使得产生的光子对具有高亮度，更适合远距离传播的优点。该方案的主要思想是在PPLN晶体中选择特定的极化周期，使得泵浦光入射到晶体中产生的信号光和闲置光沿相反的两个方向传播，从而达到减小光子对的带宽的目的，经计算发现使用这种方案时，光子对的带宽有了明显的减少，从而证明这个想法的可行性，这也为以后制备窄带宽纠缠源提供了一种方法。

目录

声明

第一章绪论

参考文献

第二章量子纠缠理论

2.1 量子纠缠基本概念

2.1.1 纯态和混态

2.1.2 Schmidt分解和纠缠态

2.1.3 EPR佯谬和Bell不等式

2.1.4 密度算符、密度矩阵和熵

2.1.5 纠缠度量

2.2 量子纠缠的应用

2.2.1 量子隐形传输

2.2.2 量子密钥分配

2.2.3 量子交换

2.3 本章小结

参考文献

第三章 量子纠缠源的制备及测量

3.1 纠缠源制备基础概述

3.1.1 自发参量下转换

3.1.2 相位匹配

3.1.3 准相位匹配

3.1.4 PPLN晶体和掺氧化镁的PPLN晶体

3.2 利用PPLN晶体制备纠缠源

3.3 实验结果测量

3.4 本章小结

参考文献

第四章 纠缠光子对频谱纯度和窄带宽计算

4.1 频谱不相关概述

4.2 理论框架

4.3 频谱纯度计算结果

4.3.1 频谱纯度随晶体参数的变化

4.3.2 频谱纯度随泵浦参数的变化

4.3.3 频谱纯度计算总结

4.3.4 纠缠源窄带宽优化

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总结

致谢

攻读学位期间发表的学术论文