宽带固态量子存储器及其在量子通信和基本物理检验方面的应用

论文摘要

量子存储器作为构建量子网络的核心器件,近十几年来发展迅速。在量子计算中,它可用作不同信息处理过程间的同步装置。在量子通信中,可结合纠缠交换技术实现量子中继,使远距离量子通信成为可能。其中固态量子存储器具有存储寿命长,带宽大,保真度高,多模式存储能力强等优点,是最有希望实现量子中继的量子存储系统之一。除此之外,作为光与物质的相互作用系统,量子存储器及其对应量子光源还可进行有关基本量子物理问题的研究,如光子反常轨迹的观测和宏观实在性的检验等。本人博士期间主要进行基于掺Nd晶体的宽带固态量子存储器的研究,包括一些其在量子通信以及量子基本问题检验方面的应用。本文所取得的主要研究成果如下:1.对143Nd:YVO4晶体的光谱及存储性质的应用研究。基于Nd-143的稀土掺杂晶体由于其内部存在的核自旋能级,使其有望在未来实现长寿命量子存储。我们首次在同位素提纯143Nd:YV04晶体中实现了初步的光谱学研究,并进一步实现了原子频率梳的制备和二能级原子频率梳存储。这些研究为下一步光子在该体系中进入核自旋能级实现自旋波量子存储提供可行性。2.提出基于中等寿命量子存储器的半分层型量子中继理论方案。大尺度量子网络的构建依赖于实用化量子存储器的实现。目前,已经存在很多量子中继方案,其基本目标是要超越光纤直接传输单光子。然而其中绝大多数方案都存在光子分配效率不高以及利用现有技术难以实现等不足。我们提出一种半分层型的量子中继结构,它能在优化分配速率的同时将存储器的寿命需求降至数十毫秒量级。同时该方案还能固定节点的距离,此时中继器对存储器的寿命需求也就固定,几乎与分配距离无关,这种配置适用于大规模量子网络中需要可拓展应用的场景。3.实验观察到单光子的反常历史轨迹。当我们考虑一个光子的运动轨迹的时候,量子力学给出的解释与经典世界的现象之间的矛盾变得异常突出。从经典的角度来看,轨迹只有对粒子才有意义,对波来说并不适用。而波粒二象性的发现使得这种二分法的概念逐渐被人们所抛弃,取而代之的是量子力学给出的出色解决办法:轨迹可以被严格定义,但是它与经典的轨迹概念全然不同。通过利用单光子的频谱组成来标记其路径的技术,我们给出了单光子轨迹的一种操作性定义,该定义显示利用光的频率自由度可以构建一种真正的量子测量设备。利用这种方法,我们分析了一系列装置,发现了反常不连续的光子轨迹,从光子产生的地方到其探测的地方之间并不连接。利用级联的干涉仪,我们在实验上展示了这些不连续的光子轨迹,并进一步演示了如何利用二态波矢法对实验结果进行简单解释。4.在光与物质相互作用的系统中实现了对宏观实在性的严格实验检验。宏观实在性是一种经典的世界观,它认为一个宏观系统总是会确定地处于一系列宏观可区分的状态中的一个,因而不可能处于这些状态的叠加之中。在宏观尺度上的量子现象是否存在物理基本原理的限制,这个问题至今仍然不清楚。实验上,我们利用量子存储器在光与物质相互作用界面实现了一个严格而简单的宏观实在性检验。我们首先产生一个包含两个宏观可区分固态系统激发态的微观-宏观纠缠态。通过实验检验,我们证明了在该体系中由1010个离子共享的涉及76个原子激发的相干叠加态依然违背宏观实在性。这些结果为利用量子存储技术提高原子叠加态的尺度以及进一步推进划分微观与宏观的界限提供了一种通用的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 固态量子存储器
•   2.1 量子存储器简介
•     2.1.1 存储器指标
•     2.1.2 存储介质
•   2.2 稀土掺杂晶体
•   2.3 原子频率梳方案
•   2.4 小结
• 第三章 与存储器带宽匹配的量子光源
•   3.1 单光子水平弱相干光光源
•   3.2 窄带参量光光源
•     3.2.1 窄带参量光光子对
•     3.2.2 窄带高维度纠缠光源
•     3.2.3 窄带高亮度偏振纠缠光源
•   3.3 量子点确定性单光子源
•   3.4 小结
• 143Nd:YVO₄晶体的光谱及存储性质的应用研究'>第四章¹⁴³Nd:YVO₄晶体的光谱及存储性质的应用研究
•   4.1 稀土离子光谱
•   4.2 光谱性质测试
•   4.3 存储性质测试
•   4.4 小结
• 第五章 半分层型量子中继方案
•   5.1 量子中继的基本原理
•   5.2 半分层量子中继理论方案
•   5.3 各方案理论模拟性能比较
•   5.4 实际应用分析
•   5.5 小结
• 第六章 实验观察单光子的反常历史轨迹
•   6.1 光子轨迹的一种操作性定义
•   6.2 详细实验装置
•   6.3 实验结果与分析
•   6.4 小结
• 第七章 在量子存储器中进行宏观实在性的检验
•   7.1 宏观实在性与Legget-Garg不等式
•   7.2 基于无干扰条件的检验方案
•   7.3 实验装置及实验结果
•   7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 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

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘肖

导师: 李传锋,周宗权

关键词: 固态量子存储,量子中继,稀土掺杂晶体,量子光源,自发参量下转换,反常历史轨迹,宏观实在性

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术,计算机硬件技术

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413;TP333;TN918

总页数: 98

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