基于多个冷原子系综的量子网络

论文摘要

构建量子网络就是实现多个远距离的量子存储器之间的量子纠缠,它使得多方量子通信成为可能,同时还能够应用于分布式量子计算、分布式量子精密测量和大尺度空间下的基础物理检验等领域。由于光能够携带信息进行传输,非常适合用于连接不同的量子存储器,因此产生高品质的光与量子存储器之间的纠缠很有必要。现在有很多物理体系用于量子存储,其中,冷原子量子存储器由于在读取效率、寿命等综合水平中占优而备受青睐。并且冷原子系综中还能直接产生光与原子的纠缠,特别适合用于量子网络。在这篇论文中,我们正是基于多个冷原子系综展开研究。首先我们通过使用环形腔来增强光与原子的作用,提高量子存储器的内禀读出效率,同时通过设置控制光与腔不共振而信号光与腔共振,避免了额外的滤波装置,大大提升了光与原子纠缠的亮度。然后,我们通过对极化、多激发事例等内容展开的研究使得我们能够提升光与原子纠缠的保真度。以此为基础,我们结合全同光子的干涉,成功实现了高保真度的纠缠交换操作,进而使得我们成功连接了三个量子网络节点,第一次实现了三个冷原子系综的GHZ态纠缠和三个冷原子系综、三个光子的六体纠缠。更进一步的,为了扩展量子节点间的距离,我们将量子频率转换技术应用起来,成功获得了通讯波段光子与原子的非经典关联,从而实现了相距50km的两个冷原子系综之间的纠缠。此外,我们利用冷原子系综在实验上同时产生三个频率完全可区分的光子,第一次开展了非全同光子在时间分辨测量下的三光子干涉实验,为将来提高量子网络的兼容性奠定了基础。本论文中完成的多个原子系综的纠缠连接和非全同光子干涉的相关研究成果能够极大地促进关于量子网络的研究。在今后进一步研究中可以通过结合里德堡原子产生确定性光与原子纠缠、长寿命量子存储来提升连接网络节点时的成功率,促进全球化量子网络的实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 量子隐形传态
•   1.2 两个网络节点之间的连接
•   1.3 多个网络节点之间的连接
•   1.4 量子网络的物理实现
•   1.5 量子网络的发展现状
•   1.6 论文结构
• 第二章 单光子与原子系综的相互作用
•   2.1 光与原子的相互作用:经典图像下的描述
•     2.1.1 光与原子在自由空间里的相互作用
•     2.1.2 光与原子在腔内的相互作用
•   2.2 腔增强情况下光与原子的相互作用:量子理论
•     2.2.1 Jaynes-Cumming模型
•     2.2.2 外部光场经由腔内原子的散射过程
•     2.2.3 光与原子系综在腔内的作用
•   2.3 小结
• 第三章 冷原子系综的制备
•   3.1 真空系统
•   3.2 激光系统
•     3.2.1 780nm激光
•     3.2.2 795nm激光
•   3.3 磁场
•   3.4 磁光阱
•     3.4.1 基本原理
•     3.4.2 磁光阱中的原子数
•   3.5 偏振梯度冷却
•   3.6 原子团光学厚度和温度的测量
•     3.6.1 吸收成像法测量原子光学厚度
•     3.6.2 冷原子系综温度的测量
•   3.7 实验上对原子温度的进一步冷却
•   3.8 小结
• 第四章 高效可读出的量子存储器
•   4.1 引言
•   4.2 DLCZ量子存储器的原理及其性能指标
•     4.2.1 写过程
•     4.2.2 读出过程
•     4.2.3 读出过程的EIT
•     4.2.4 衡量量子存储器性能的常用指标
•   4.3 自由空间下DLCZ量子存储实验
•     4.3.1 基本设置
•     4.3.2 环境磁场的补偿
•     4.3.3 原子态初态的制备
•     4.3.4 偶然符合事例
•     4.3.5 多激发事例
•   4.4 环形腔增强情况下的DLCZ量子存储
•     4.4.1 环形腔的搭建及锁定
•     4.4.2 腔内波片的补偿
•     4.4.3 锁腔光频率及读光频率
•     4.4.4 锁腔光的噪声
•     4.4.5 原子对光的相移
•     4.4.6 腔的精细度
•     4.4.7 锁腔的稳定性对读出效率的影响
•     4.4.8 实验次数对读出效率的影响
•     4.4.9 读光功率对读出效率的影响
•     4.4.10 激发率对单光子品质函数α的影响
• 2的影响'>    4.4.11 激发率对g²的影响
• F=-1>时的量子存储'>  4.5 原子初态制备在|F=1,m_F=-1>时的量子存储
•   4.6 小结
• 第五章 三个冷原子系综的纠缠
•   5.1 引言
•   5.2 光与冷原子系综的纠缠
•     5.2.1 光极化及偏置磁场
•     5.2.2 偶然符合事例
•     5.2.3 拉曼过程
•     5.2.4 态制备效率对纠缠对比度的影响
•     5.2.5 保真度
•     5.2.6 光与原子纠缠的效率
•   5.3 两个冷原子系综之间的纠缠
•     5.3.1 写光脉冲的一致性
•     5.3.2 写出光子的全同性
•     5.3.3 极化的不完美性
•     5.3.4 从光-原子纠缠到原子-原子纠缠
•     5.3.5 实验结果
•   5.4 三个冷原子系综和三个光子之间的六体GHZ态混合纠缠
•   5.5 三个冷原子系综的三体GHZ态纠缠
•   5.6 纠缠产生及验证效率
•   5.7 小结
• 第六章 时间分辨测量下频率可区分的三光子干涉
•   6.1 引言
•   6.2 单光子源
•   6.3 全同双光子的HOM实验
•   6.4 频率可区分的双光子干涉
•   6.5 频率可区分的三光子干涉
•     6.5.1 实验设置及结果
•     6.5.2 保真度分析
•   6.6 小结
• 第七章 距离为50km的两个冷原子系综间的纠缠
•   7.1 引言
•   7.2 实验原理及装置
•   7.3 实验结果
•   7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 经典图像和量子理论下的协同参数η
• 附录B 铷原子D1、D2线跃迁时饱和吸收谱对应谱线
• 附录C 矩形亥姆霍兹线圈产生磁场的计算
• 附录D 不同极化组合下的读出效率
• 附录E Bell态、GHZ态保真度的测量
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 敬波

导师: 包小辉

关键词: 量子网络,冷原子系综,量子存储,光与原子纠缠,多光子干涉,时间分辨测量

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413

总页数: 173

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