多光子態(tài)制備及應(yīng)用

多光子態(tài)制備及應(yīng)用

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1、摘要量子信息學(xué)作為-i]新的學(xué)科引起科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。近十年來,隨著科技水平的不斷提高,人們試圖在各種物理體系中去實現(xiàn)量子信息處理。而作為量子信息攀的基礎(chǔ),在兩粒子乃至多粒子體系實現(xiàn)糾纏態(tài)制備成為一個最基本的要求·目前人們已經(jīng)可以在線性光學(xué)系統(tǒng),腔量子電動力學(xué)系統(tǒng),核磁共振,離子阱,量子點,超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)等系統(tǒng)中實現(xiàn)兩比特糾纏態(tài)的制備。其中,線性光學(xué)系統(tǒng)由于利用光子作為信息載體,具有很好的傳輸性質(zhì),單比特操作易實現(xiàn),與環(huán)境的相互作用小等明顯優(yōu)勢而備受關(guān)注。目前基于雙光子過程的基本理論大部分都已經(jīng)在線

2、性光學(xué)系統(tǒng)里實現(xiàn),像任意態(tài)的制備,單比特操作,兩比特非線性門操作等。相比兩粒子兩維體系而言,多粒子高維體系無論是在量子信息的基礎(chǔ)研究方面還是量子計算方面都具有更多的優(yōu)越性。人們已經(jīng)將線性光學(xué)系統(tǒng)拓展到多光子高維體系,并在實驗上取得一定進展。然而,隨著粒子數(shù)目的增加,研究的難度大大增加,多光子態(tài)制備、測量等基本內(nèi)容都沒有一套完整的有規(guī)律可循的有效手段,這也是作者把多光子態(tài)的制備及應(yīng)用作為研究方向的主要原因。針對這些問題,本論文在以下幾方面取得重要成果:1、提出一種制備任意多光子態(tài)的有效方法。多光子態(tài)的制

3、備是研究多光予量子信息過程的基礎(chǔ),然而,現(xiàn)有的態(tài)制備手段很有限,只能通過光子干涉的方法來得到有限的幾個或幾類多光子態(tài)。我們從理論上提出利用同模多光子態(tài)來制備任意多光子態(tài)的方案,該方案不采用光學(xué)干涉儀,具有很好的穩(wěn)定性,能制備出任意多光子W態(tài)、GHZ態(tài)及他們的疊加態(tài)等,是一種有效的可擴展的多光子態(tài)的制備方法。我們還給出了具體的實驗驗證(該工作正在進行)。2、利用兩塊參量下轉(zhuǎn)換晶體產(chǎn)生的三光子態(tài)實現(xiàn)了完全可控的多光子時間可區(qū)分性的實驗驗證.光子的可區(qū)分性直接影響到多光子態(tài)制備的純度和多光子干涉的干涉可見擅

4、要度,并影響到實驗的結(jié)果。如果能定量的得到多光子的可區(qū)分性,將可以大大增加實驗的處理能力.由于多光子態(tài)制備手段的限制,并沒有實現(xiàn)完全可控的時間區(qū)分性實驗。我們利用兩塊參量下轉(zhuǎn)換晶體產(chǎn)生的時間模式完全可控的三光子態(tài),完成了完全可控的三光子時間可區(qū)分性的實驗。針對具體的實驗系統(tǒng),我們還系統(tǒng)的研究了利用兩塊參量下轉(zhuǎn)換晶體產(chǎn)生多光子過程中的受激輻射過程,并給出了合理的理論解釋,為今后類似的態(tài)制備過程提供了寶貴的經(jīng)驗。3、采用投影測置的方法系統(tǒng)的研究了三光子德布羅意波長.作為多光子態(tài)的典型應(yīng)用之一,由于直接與高

5、精度位相測量相關(guān),多光子的德布羅意波長的實驗進展總能吸引人們的目光。以前的工作大多是利用多光子的最大糾纏態(tài)NOON態(tài)來實現(xiàn)的,對態(tài)制備的要求很高,實驗上不易實現(xiàn)。我們從態(tài)測量的角度,研究了三光子的德布羅意波長,這種方法可以有效地利用參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的多光子態(tài),而不需要多光子的最大糾纏態(tài),且這種方法可以方便的擴展到更多光子數(shù)的情況。4、進一步擴展投影測量的方法,采用非平衡分束器研究了四光子干涉和三光子的時間可區(qū)分性.多光子實驗的難度一方面在于態(tài)制備的過程,另一方面在于多光子的實際探測效率,這也是國際上對高

6、效光子源研究的動力源泉。在態(tài)制備和探測效率兩方面尋求一個合適的結(jié)合點是當(dāng)前一個切實可行的方案。我們進一步擴展了投影測量的方法,在三光子和四光子水平下采用非平衡分柬器來研究多光子干涉。這種方法一方面不需要多光子最大糾纏態(tài),另一方面利用非平衡分束器投影的方法獲得了較高的多光子符合效率,從而很好的利用現(xiàn)有的技術(shù)條件實現(xiàn)了一系列多光子實驗。關(guān)鍵詞:多光子糾纏,多光子態(tài)制備,多光子干涉,時間區(qū)分性,德布羅意波長,投影測量ⅡAIntractAbstractQuantuminformationscienceattr

7、actsmuchattentionrecently.Inthepastdecade,withthedevelopmentoftechnology,peoplehavedevelopedthetheoreticalworktoexperimentalwork.Asthefoundationofquantuminformation,thepreparationoftwo-particleandmulti-particleentangledstatesisurgentlyneeded.Todate,many

8、systemshavebeensuggestedtoprepareentanglement,suchaslinearopticalsystem,cavity-quantum-electronics-dynamicsystem,nuclearmagneticresonance,ion-trap,quantumdotandsuperconductorjosephsenjunction.Amongthem,linearopticalsystemhasmorea

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