光子纠缠在量子信息处理中的应用

论文摘要

量子力学是物理理论和实验的重要基石,可用于解决自然界中的许多基础问题。特别是纠缠系统的非局域性关系与人们对客观实在性和局域性的常识完全不相同,从而使得量子纠缠成为众多科学研究中至关重要的资源。到目前为止,量子纠缠已经被应用到许多量子信息处理协议中,例如量子隐形传态,超密集编码,量子密码,量子精密测量和量子计算。这些量子方案能够在性能上得到大幅度的提升,甚至超过经典物理中可能性的极限。在可预见的未来,此类基于量子纠缠的信息处理协议的大规模商业化实现是必不可少的。为了在实际环境中实现它们,人们不得不面对一系列关键技术的挑战,包括量子纠缠的生成,操控和测量。现在已经有许多方法可以获得量子纠缠,其中纠缠光子是代表性的可用资源。得益于当前光学设备相关技术的突飞猛进,光子纠缠的完全操控能够相对容易地被实现。本文的目的是为完全操控光子纠缠提供可行的方案,并为量子框架中全新的实际应用创造机会。为此,本文的主要研究可以概括为:·通过在偏振分束器上叠加四种纠缠对生成概率,利用时间反向的Hong-Ou-Mandel干涉将无法分辨的光子确定地分离到不同的空间模式中,而这个过程没有常见的波长可分辨的要求。本文提出的超亮偏振纠缠光源能够以极高的光子对生成率产生高保真度的偏振纠缠光子对,并且实验不需要主动的相位稳定操作,从而使得它成为各种量子应用的理想候选,特别是那些需要不可区分光子的应用。·将时间反向的Hong-Ou-Mandel干涉方法扩展到偏振-频率超纠缠量子态的生成。在这种情况下,超纠缠光子被分离在不同的空间模式中,但不需要进行光谱选择性过滤。通过独立测量子空间中的偏振和频率纠缠保真度,本文描述两个子空间中估计的密度矩阵,这也意味着高质量超纠缠态的存在。而对生成量子态的高纬度纠缠证明则进一步说明超纠缠态在量子密码中应用的可行性。实验结果表明超纠缠光源是一种适用于复杂量子信息处理协议的理想选择。·Hong-Ou-Mandel效应可以用来精确测量时间延迟,其中广泛的共识是相干时间严重限制了这种干涉测量法的精确度。因此,超宽频带光子纠缠源在许多量子传感方案中一直被视为重要的先决条件。本文提出一种超精密Hong-Ou-Mandel干涉测量的替代方法,即利用离散频率纠缠和双光子干涉后的探测器响应测量。本文探讨了与纠缠态的频率差相关的Cramer-Rao bound对测量仪灵敏度的限制以及最优测量方案。本文还实现了一个概念验证实验,即将方案应用到光纤温度传感器中。实验结果表明频率纠缠态可以为提高传感器的时间分辨率提供一种更实用的方法。·量子路由器是实现全连通量子网络的重要组成部分,它能够完成将单个光子转发到不同输出端口的任务。本文提出一种基于无干扰测量和量子点的量子路由实现方案,它通过干涉测量方法实现转发携带自旋或轨道角动量编码信息,或同时携带这两种编码信息的单光子。另外它也可以通过级联的方式扩展到多层结构,从而构建一对多的量子路由器。本文还讨论了该方案的成功概率和具体实现操作,为方案的实际应用提供一种可行的解决方法。·反事实量子信息处理可以在不需要任何粒子实际传输经过信道的情况下完成量子通信和纠缠分发的任务,因此反事实方案的最大优点是具有绝对的安全性。通过使用无干扰测量和新的"chained" quantum zeno效应将反事实的干涉概率提高到100%,本文提出一个反事实量子网络通信协议,两个三方反事实纠缠分发协议和一个基于量子点和纠缠交换的多方反事实纠缠分发协议。本文还进一步分析了这些方案操作成功的概率和具体实现的必要操作,从而验证它在实际应用中的可行性。随着量子技术的快速发展,我相信这些方案能够为实现更加安全的量子信息处理铺路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要中英文对照表以及常见缩写
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 量子纠缠光源
•     1.2.2 Hong-Ou-Mandel干涉测量仪
•     1.2.3 量子路由
•     1.2.4 反事实量子通信
•   1.3 研究内容与贡献
•   1.4 文章组织结构
• 第二章 量子信息基础
•   2.1 基本概念
•     2.1.1 量子态
•     2.1.2 量子信息在光子中的编码
•     2.1.3 不可克隆原理
•   2.2 量子纠缠
•     2.2.1 偏振纠缠
•     2.2.2 EPR悖论
•     2.2.3 高纬度量子纠缠
•   2.3 量子信息应用
•     2.3.1 量子密钥分发
•     2.3.2 量子隐形传态和纠缠交换
•     2.3.3 量子精密测量
•     2.3.4 量子计算
•   2.4 小结
• 第三章 自由空间量子通信的偏振纠缠光源
•   3.1 ppKTP晶体中的自发参量下转换过程
•     3.1.1 SPDC的理论模型
•     3.1.2 SPDC过程中的偏振纠缠
•     3.1.3 基于crossed-crystal的偏振纠缠光源
•   3.2 结合Sagnac干涉仪和crossed-crystal结构的纠缠光源
•     3.2.1 理论模型
•     3.2.2 实验结果
•   3.3 方案优化
•     3.3.1 校准优化
•     3.3.2 参数优化
•   3.4 小结
• 第四章 基于偏振-频率超纠缠态的高维量子信息处理
•   4.1 偏振-频率超纠缠态的操控
•     4.1.1 SPDC过程中频谱与温度的关系
•     4.1.2 生成超纠缠量子态的基本方案
•     4.1.3 频率纠缠的Hong-Ou-Mandel干涉
•   4.2 实验结果
•     4.2.1 偏振和频率纠缠的单独测量
•     4.2.2 Hong-Ou-Mandel干涉后超纠缠量子态的验证
•   4.3 高维量子纠缠的验证
•   4.4 小结
• 第五章 基于频率纠缠的量子精密测量
•   5.1 可调频率纠缠态的制备
•   5.2 频率纠缠的干涉模型
•   5.3 基于频率纠缠的HOM干涉仪的测量精度
•     5.3.1 基于频率纠缠的HOM传感器的Fisher information
•     5.3.2 频率纠缠的Quantum Cramer-Rao bound
•   5.4 基于频率纠缠的温度传感器
•   5.5 小结
• 第六章 基于自旋和轨道角动量的通用量子路由
•   6.1 多自由度的量子路由
•     6.1.1 用于单光子偏振编码的量子路由
•     6.1.2 用于单光子轨道角动量编码的量子路由
•     6.1.3 用于单光子自旋和轨道角动量编码的量子路由
•   6.2 多层次量子路由
•   6.3 协议分析和方法讨论
•   6.4 小结
• 第七章 反事实量子通信
•   7.1 基于不可信任中继的远距离反事实量子通信协议
•     7.1.1 反事实量子密码网络
•     7.1.2 性能分析和实现方案
•   7.2 三方反事实纠缠分发
•     7.2.1 基于光开关的三方反事实纠缠分发
•     7.2.2 长距离三方反事实纠缠分发
•     7.2.3 性能分析和实现方案
•   7.3 基于量子点的多用户反事实纠缠分发
•     7.3.1 多方反事实纠缠分发
•     7.3.2 性能分析和实现方案
•   7.4 小结
• 第八章 总结与展望
•   8.1 本文总结
•   8.2 未来展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈圆缘

导师: 陈力军

关键词: 光子纠缠,量子信息处理,干涉,量子精密测量,量子路由,反事实量子通信

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京大学

分类号: O413.1

总页数: 145

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