从多光子干涉到玻色采样的实验研究

摘要

本论文主要内容是基于多光子干涉的若干问题的实验研究。多光子干涉是一种纯碎的量子效应，其应用范围极其广泛，包括量子力学基础检验、量子精密测量、量子计算和量子模拟等等。
　　在量子力学基础检验方面，GHZ定理以一种“非此即彼”的方式直接证否EPR实在元素的概念。2000年，人们首次实验验证了三粒子的GHZ定理。随后十几年间，GHZ定理不断地被推广到更多粒子的情形。然而，所有这些后续的实验都可以约化到三粒子的情形。通过关闭这个可约化漏洞，我们首次实验检验了真正超越三粒子纠缠的GHZ定理。
　　在量子精密测量方面，人们发现多光子纠缠态可用来超越经典测量技术的散粒噪声极限。然而，多光子纠缠态的制备和探测往往依赖于后选择技术或低效率的非线性性。这严重影响了多光子纠缠在量子精密测量上的应用。通过偏振模式和路径模式的混合编码，我们简化了量子傅里叶变换干涉仪的搭建。在此基础上，我们确定性地观察到了最多四个光子的超分辨现象。
　　在量子计算和量子模拟方面，玻色采样是多光子干涉的一个新的研究热点，是近期最有可能展现出超越经典电脑运算能力的模型之一。我们实验研究了两种不同单光子源的玻色采样:基于参量下转换的概率性单光子源，以及量子点确定性单光子源。前者可通过增加单光子源的数量并随机化输入的方式克服多光子亮度指数衰减难题，但是多对噪声问题依然制约着参量光源在玻色采样上的扩展，我们系统研究了这个问题并提出解决方法。后者原则上不存在多对噪声问题。最近，我们组在同一个量子点上同时实现了高亮度、高不可分辨性和高单光子性三个关键性指标。在此基础上，我们搭建了基于量子点单光子源的时间编码的可编程的玻色采样实验平台，首次把玻色采样的光子数推进到了四个，为实现真正超越经典电脑运算能力的玻色采样打下了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

第2章 基本概念和实验技术

2．1 基本概念

2．1．1 量子比特

2．1．2 高斯态

2．1．3 HOM干涉

2．1．4 GHZ定理

2．2 实验技术

2．2．1 线性光学器件

2．2．2 自发参量下转换

2．2．3 量子点单光子源

第3章 真正超越三粒子纠缠的GHZ定理

3．1 研究背景

3．2 实验实现

3．2．1 GHZ态的制备及度量

3．2．2 不可约GHZ佯谬

3．2．3 GHZ-Bell不等式

3．3 结论和展望

第4章 基于量子傅里叶变换的多光子干涉

4．1 研究背景

4．2 基本原理

4．2．1 QFT干涉仪

4．2．2 QFT的零透射定律

4．2．3 基于路径和偏振模式的QFT构造方案

4．2．4 基于QFT的量子精密测量方案

4．3 实验实现

4．3．1 实验光源

4．3．2 QFT块状光学干涉仪

4．3．3 干涉对比度和时间重合

4．3．4 OFT零透射定律的实验验证

4．3．5 级联QFT干涉仪的超分辨现象

4．3．6 讨论

4．4 结论和展望

第5章 计算复杂性和玻色采样

5．1．1 可计算性

5．1．2 算盘与图灵机

5．1．3 计算问题分类

5．2 计算复杂性理论

5．2．1 P／NP

5．2．2 P／NP的推广

5．2．3 量子计算的局限

5．3 积和式

5．3．1 从行列式到积和式

5．3．2 积和式的精确算法

5．3．3 积和式的近似算法

5．4 玻色采样

5．4．1 精确玻色采样

5．4．2 近似玻色采样

5．5 玻色采样的验证

5．5．1 RNE方j法

5．5．2 贝叶斯方法

5．5．3 似然比检验

第6章 高斯态玻色采样

6．1 引言

6．2 基本原理

6．2．1 双模压缩真空态玻色采样

6．2．2 热态玻色采样

6．3 实验技术

6．3．1 低损耗普适线路

6．3．2 理论幺正矩阵

6．3．3 重构幺正矩阵

6．3．4 高斯态源和HOM干涉

6．4 实验结果

6．4．2 基于双模压缩真空态的玻色采样

6．4．3 玻色采样和热态采样的区分

6．5 结论

6．6 附录：随机玻色采样的若干问题

6．6．2 确定性单光子源还有必要吗？

6．6．3 100％的耦合效率和探测效率还有必要吗？

第7章 时间编码玻色采样

7．1 研究背景

7．1．1 单光子源

7．1．2 干涉线路

7．2 基本原理

7．2．1 原始方案

7．2．2 改进方案

7．2．3 环结构的优点

7．3 实验实现

7．3．1 量子点单光子源

7．3．2 时间编码线路

7．3．3 样本检测

7．3．4 量子随机游走

7．4 结论和展望

第8章 结论和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果