基于原子系综四波混频过程的相干反馈及量子纠缠研究

论文摘要

量子信息是一门新的交叉学科,它集量子力学,量子光学,信息科学等学科为一体。其中,非经典态（例如压缩态、纠缠态、单光子态、薛定谔猫态）,由于它们具有量子关联特性,被认为是重要的量子资源,可以用于实现量子信息传输、量子精密测量、量子计算。一个高量子关联特性的量子态可以有效地提高量子通信的保真度以及量子精密测量的灵敏度,因此提高量子态量子关联特性是至关重要的。我们将反馈控制策略应用于量子系统中,提出两种相干反馈控制方案,实现系统输出光场量子特性增强。另外,复用是光通信的一个重要概念,它将多个信息通道集合在一个信息通道里面,极大地提高信息通信容量。光轨道角动量作为一个重要的物理量,具有无限带宽的特点,可以用来实现信息传输。我们把复用和光轨道角动量相结合,将它们应用于连续变量量子系统,并且实现了光轨道角动量模式复用的连续变量纠缠,极大地提高了量子系统的通信容量。本论文包含以下三个工作:1、我们基于热铷原子蒸汽系综四波混频过程实现线性相干反馈控制。通过调节线性反馈控制器的反馈系数,我们可以提高系统输出光场的量子关联特性。此外,我们还发现线性反馈控制器存在一个最优反馈参数,可以最大化系统输出光场的量子关联特性。2、我们基于热铷原子蒸汽系综四波混频过程实现非线性相干反馈控制。通过调节非线性反馈控制器的增益强度,我们可以提高系统输出光场的量子关联特性。此外,我们还发现非线性反馈控制器存在一个最优增益强度,可以最大化系统输出光场的量子关联特性。3、我们基于热铷原子蒸汽系综四波混频过程实现光轨道角动量模式复用的连续变量纠缠。我们确定性地产生了13对纠缠的拉盖尔高斯模式:LG?,pr和LG-?,conj,其中?表示对应光轨道角动量模式的拓扑荷数,pr和conj分别表示探针光场和共轭光场。同时我们也证明了LG?,pr和LG?,conj（l≠0）模式之间不存在纠缠。以上结果从连续变量的角度证明了在四波混频过程中的非线性相互作用满足轨道角动量守恒。此外,我们研究了三种不同光轨道角动量相干叠加模式的纠缠特性。最后,我们还研究了泵浦腰斑大小对系统模式复用数目的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 量子信息进展
•     1.1.1 离散变量量子系统
•     1.1.2 连续变量量子系统
•     1.1.3 热铷原子系综的四波混频
•   1.2 光轨道角动量光束
•     1.2.1 拉盖尔高斯光束
•     1.2.2 光轨道角动量的应用
•     1.2.3 光轨道角动量光束的产生方式
•   1.3 本论文的创新点和主要内容
• 第二章 基本理论
•   2.1 量子力学理论
•     2.1.1 波函数
•     2.1.2 量子力学的基本假设
•     2.1.3 不确定关系
•     2.1.4 量子绘景
•   2.2 量子光学理论
•     2.2.1 光场量子化
•     2.2.2 正交分量态
•     2.2.3 光子数态
•     2.2.4 相干态
•     2.2.5 双模压缩态
•     2.2.6 光学偏振分束器模型
•   2.3 量子光学探测技术
•     2.3.1 强度探测
•     2.3.2 平衡零拍探测
•   2.4 本章小结
• 第三章 四波混频系统
•   3.1 基于热铷原子系综的四波混频过程介绍
•     3.1.1 理论模型
•     3.1.2 相位匹配条件
•   3.2 基于四波混频系统产生关联光束的实现
•     3.2.1 基于四波混频系统产生关联光束的实验装置
•   3.3 四波混频输出光场的量子特性分析
•     3.3.1 强度差压缩特性
•     3.3.2 正交分量压缩特性
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于四波混频系统的反馈控制研究
•   4.1 背景介绍
•   4.2 线性相干反馈控制系统的理论研究
•     4.2.1 理论模型
•     4.2.2 系统损耗
•   4.3 线性相干反馈控制系统的实验研究
•     4.3.1 实验装置
•     4.3.2 相位锁定
•     4.3.3 结论和分析
•   4.4 非线性相干反馈控制系统的实验研究
•     4.4.1 理论模型
•     4.4.2 实验装置
•     4.4.3 结论和分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 基于四波混频系统的光轨道角动量模式复用的纠缠研究
•   5.1 研究背景
•   5.2 光轨道角动量模式复用的纠缠理论研究
•     5.2.1 光轨道角动量模式复用的纠缠模型
•     5.2.2 光轨道角动量高维纠缠模型
•   5.3 光轨道角动量模式光场的平衡零拍探测
•     5.3.1 理论模型
•   5.4 光轨道角动量光束实验产生方法
•   5.5 光轨道角动量模式复用的纠缠实验研究
•     5.5.1 实验装置
•     5.5.2 结论和分析
•     5.5.3 输出光场图像
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间论文发表及会议

文章来源

类型: 博士论文

作者: 潘晓州

导师: 荆杰泰

关键词: 四波混频,反馈控制,复用,轨道角动量,纠缠

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 华东师范大学

基金: “优秀博士学位论文培育资助项目”,项目金额1万元

分类号: O413;O562

DOI: 10.27149/d.cnki.ghdsu.2019.000077

总页数: 109

文件大小: 18661K

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