光子纠缠态制备、应用及演化的实验研究

论文摘要

量子纠缠是一种奇异的非局域关联,在量子物理中起着基础性的作用。它不仅是理解量子力学非局域性的着眼点而且是量子信息处理的重要资源。另一方面,由于环境噪声不可避免的干扰,纠缠会很容易地被破坏。而且人们发现纠缠在演化过程中也会出现一些特殊的性质。比如两粒子间的纠缠在独立的热库中演化时会在有限的演化时间内完全消失,这与单粒子相干性指数衰减完全不同。因此本人将纠缠态的制备、应用和演化作为博士论文的研究课题。同时,我们还利用量子信息的方法对一些量子力学的基本问题进行实验探讨。本论文所取得的成果主要有:1、我们实验上利用单次自发参量下转换过程直接制备得到高可见度的四光子纠缠态,并且应用这个四光子纠缠态来完成一个四体量子通讯复杂度方案。由于我们的实验方案没有用到干涉装置并且下转换光子的走离效应可以完全补偿,因此四光子纠缠态的可见度可以高达（95.53±0.45）%。在利用此纠缠态来降低四体通讯复杂度的方案中,我们得到的成功概率为（81.54±1.38）%远远超过了经典极限50%。这个四光子纠缠态还可以用来实现无消相干子空间的量子信息处理及其他量子信息方案。2、我们实验实现了1→2最优量子普适克隆和无辅助比特的1→3最优量子相位协变克隆。在我们的实验中这两种克隆过程可以方便地进行转换并且所用到的Hong-Ou-Mandel型干涉装置也可以用到其他量子信息处理过程。3、我们实验上通过对在消相干环境中演化的光子偏振态进行测量,得到量子态相干性的恢复。测量导致量子相干性恢复的实验结果加深了我们对量子测量的理解。这种方法可以推广到其他两能级体系。实验中所采用的测量装置还可以用来实现量子纠缠的恢复和Leggett-Garg型不等式的违背。4、我们实验实现了Leggett-Garg型不等式的违背,并利用它来区分量子演化过程和经典演化过程。我们还在实验上比较了两类Leggett-Garg型不等式的违背情况。违背Leggett-Garg型不等式排除了经典实在理论对量了系统的描述,从另一个角度支持量子力学的描述。当这些Leggett-Garg型不等式被运用到在噪声信道中演化的量子体系时,它们可以作为区分量子演化过程和经典演化过程的判据。通过改变入射态,我们比较了两类Leggett-Garg型不等式,找到较严格的一类。我们所使用的方法可以推广到更大的体系,这对宏观量子干涉现象的观测有着重要的启发意义。5、我们实验研究了纠缠在非马尔科夫环境中演化时的塌缩和恢复现象。在初始入射态为部分纠缠态的情况下,我们甚至观测到纠缠在突然死亡后的恢复现象。利用光学的spin-echo技术,我们实现控制纠缠在突然死亡后的恢复时间。最后我们实验实现利用最大纠缠态刻画不同量子信道中纠缠的动力学演化情况,验证了纠缠演化的因式分解公式。与不可逆的马尔科夫环境相比,纠缠在有记忆作用的非马尔科夫环境下的演化更加基本。我们所观测到的纠缠塌缩和恢复现象（甚至是突然死亡后的恢复）有助于更好地理解纠缠的动力学演化。并且这一恢复现象能够延长纠缠的使用时间,在量子信息处理过程中有着实际的应用。我们所使用的光学spin-echo技术能够有效地控制纠缠的恢复时间,将在构造量子网络方面发挥重要作用。纠缠在量子信道中演化的因式分解公式简化了纠缠演化的描述,有利于设计更多抗消相干基于纠缠的量子信息方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 第2章 量子纠缠和量子消相干过程
• 2.1 量子纠缠态
• 2.1.1 Schmidt分解与纠缠态定义
• 2.1.2 EPR佯谬与Bell不等式
• 2.1.3 纠缠态在量子信息中的应用
• 2.2 自发参量下转换制备光子纠缠对
• 2.2.1 相位匹配
• 2.2.2 偏振纠缠光子对的制备
• 2.3 量子消相干过程
• 2.3.1 三种基本的量子信道
• 2.3.2 量子测量过程
• 2.3.3 量子纠缠的动力学演化
• 第3章 高纯度四光子纠缠态的制备及应用
• 3.1 高可见度四光子纠缠态的制备
• 3.2 利用高纯度四光子纠缠态来降低四体通讯复杂度
• 3.2.1 量子通讯复杂度
• 3.2.2 实验方案
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 小结
• 第4章 量子克隆的光学实现
• 4.1 量子克隆
• 4.2 最优普适克隆和相位协变克隆的实验实现
• 4.2.1 理论方案
• 4.2.2 实验装置
• 4.2.3 实验结果
• 4.3 小结
• 第5章 测量引起的量子相干性恢复
• 5.1 理论描述
• 5.2 实验验证
• 5.3 讨论
• 5.4 小结
• 第6章 利用Leggett-Garg型不等式度量演化过程:从量子到经典
• 6.1 Schr（?）dinger猫态和Leggett-Garg不等式
• 6.2 单量子比特L-G型不等式及非入侵式测量的实现方案
• 6.3 实验验证
• 6.4 比较两个L-G型不等式
• 6.5 小结
• 第7章 纠缠的动力学演化
• 7.1 纠缠的塌缩和恢复
• 7.1.1 理论分析
• 7.1.2 实验结果
• 7.2 纠缠突然死亡后的可控性恢复
• 7.3 利用最大纠缠态刻画纠缠在不同量子信道中的演化
• 7.3.1 理论分析
• 7.3.2 实验结果
• 7.4 小结
• 结论与展望
• 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