耦合腔波导中高效光量子路由器的设计

论文摘要

近些年来量子信息取得了快速的发展。量子网络是实施量子信息处理的一个重要组成部分。在一个光量子网络中,光子由于传播速度很快且具有稳定的相干性和低耗散被作为理想的信息载体,量子节点连接网络中不同的量子通道,而节点中的量子路由器控制着光量子信号的传输路径。近年来在耦合波导系统中光子输运技术的快速发展为实现单光子量子路由提供了理想的平台,其中波导被用作光信号传输的理想信息通道,与波导耦合的量子激发器则路由光子到各个信道。然而目前的路由系统中,从主信道转移到其它信道的路由率不大于0.5,这会限制路由器的更多潜在应用。高路由率才可以实现信息在各信道间的有效预期分配,因此对于一个多通道的量子网络,设计高路由率的量子路由器是非常重要的。这里提供了几种高效的量子路由方案,方案思路主要是在双信道或多信道的波导系统中增加量子激发器,通过对不同激发器的参数调控,可以实现量子信息从入射通道到其它通道的高效转移。全文主要的内容结构如下:(1)在X型耦合腔波导的交叉腔中放置一个循环的Δ型三能级原子,作为一个理想的路由器来连接两个通道,再在波导的主信道上放置一个二能级原子来调控四个端口的路由,通过调节原子与光子的耦合强度、失谐以及原子和波导间的耦合作用,可以实现高效的量子路由的调控。(2)通过调控X型耦合谐振腔波导中交叉腔两侧的非对称的腔间耦合来控制光子路由。利用鲁棒的且可调的腔间耦合,可实现量子信道之间的高转移率以及同一输出信道中的两个端口间的预定概率分布。该耦合基于一个简便的外加磁场控制的电路来实施,因此提出的方案可有效地控制量子路由。(3)进一步将单个X型波导扩展成多X型波导,在每个波导交叉点之间放置一个Λ型三能级原子与之耦合,通过离散坐标算法与传输矩阵算法获得光子从输入通道到其它通道的路由率,调控原子和波导间的耦合作用可以使路由率远大于0.5而达到高效路由率效果。(4)通过在交叉耦合三能级系统的T型波导中增加一个二能级原子来设计一个新路由器。利用半无限长耦合谐振腔阵列的边界来改变辐射场,然后通过采用离散坐标散射方法,得到进入波导网络三个端口的光子散射幅,分析了光子从半无限长和无限长波导入射这两种情况下的路由效果,发现通过调控二能级原子和腔场之间的耦合强度,可实现双向的高效的单光子量子路由。(5)将单T型波导扩展到多T型波导,扩展的多T型波导网络通道由无限长耦合谐振腔阵列和多个半无限长耦合谐振腔阵列交叉构成,并通过嵌入在交叉腔中的驱动原子相互耦合。通过采用离散坐标散射方法分别分析了双T波导和三T型波导的单光子传输,结果表明,迁移到另一个通道的光子概率都可以显著地超过0.5。对更多通道的传输可以精确地通过传输矩阵方法获得,因此可以实现扩展化的多T型波导的高效量子路由。这些量子路由系统的设计为高效的光量子路由的实施提供了有益的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 量子网络
•     1.2.1 概述
•     1.2.2 研究现状与发展
•   1.3 研究的主要内容
• 第二章 基础知识介绍
•   2.1 光波导简介
•     2.1.1 等离激元波导
•     2.1.2 光子晶体波导
•     2.1.3 耦合谐振腔波导
•     2.1.4 基于耦合谐振腔波导的量子路由
•   2.2 光波导中量子光学的基础知识
•     2.2.1 电磁场的量子化
•     2.2.2 产生算符与湮灭算符
•     2.2.3 系统哈密顿量表示
•     2.2.4 耦合腔波导模的非线性色散关系
•   2.3 本章小结
• 第三章 单X型波导通道控制高效光量子路由
•   3.1 理论模型
•   3.2 系统哈密顿量表示
•   3.3 单光子量子路由
•   3.4 本章小结
• 第四章 通过非对称的谐振腔间耦合实现可调的量子路由
•   4.1 理论模型
•   4.2 系统哈密顿量表示
•   4.3 单光子量子路由
•   4.4 本章小结
• 第五章 多X型波导的高效量子路由
•   5.1 理论模型
•   5.2 系统的哈密顿量表示
•   5.3 调控单光子量子路由
•     5.3.1 单光子量子路由矩阵算法
•   5.4 本章小结
• 第六章 耦合的T型波导实现高效光量子路由
•   6.1 理论模型
•   6.2 系统哈密顿量表示
•   6.3 调控单光子量子路由
•     6.3.1 单光子从CRW-a左侧入射情况
•     6.3.2 单光子从CRW-b上侧入射情况
•   6.4 本章小结
• 第七章 多T型波导的高效光量子路由
•   7.1 理论模型
•   7.2 系统哈密顿量表示
•   7.3 量子单光子路由
•     7.3.1 双T型波导中的量子路由
•     7.3.2 三T型波导中的量子路由
•   7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王敬文

导师: 黄劲松

关键词: 耦合腔波导,量子网络,量子节点,量子路由

来源: 江西理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 江西理工大学

分类号: TN915.05;O431.2

总页数: 75

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