基于二维光学超晶格中多参量过程的相干光束和高维路径纠缠产生

论文摘要

量子通信和量子计算领域技术的飞速发展,对量子光源这一现代量子信息技术的核心资源提出了更高要求。本论文以此为出发点,研究如何通过二维光学超晶格中灵活的畴工程技术来有效地产生多种量子态。二维光学超晶格可以提供多个共线或非共线的倒格矢,可支持多个光学参量过程同时并且相干地发生,由此可以产生多个量子态的叠加,直接得到光子纠缠态,该方案具有易于集成、调控、可向高维扩展等特性。同时,多参量过程也可以产生多个相干光束,在非线性频率变换中有重要应用。本论文主要研究二维光学超晶格在产生多个激光光源和高维路径纠缠中的应用，取得的主要结果如下:1、提出了二维光学超晶格作为单片集成的太赫兹波光源的方案。在单片二维光学超晶格中通过两个级联非线性过程产生横向的太赫兹波输出。第一个过程中,参量下转换过程将泵浦光转化为近简并的信号光和闲置光,随后斜向倒格矢参与准相位匹配,信号光与闲置光发生差频过程,产生垂直输出的太赫兹波。我们设计在光学超晶格两端加双共振腔,提升信号光和闲置光的腔内能量密度,从而产生高效的太赫兹波输出。我们设计了二维超晶格的结构参数,并对太赫兹波的能量输出等特性进行了理论计算。2、研究了单片光学超晶格中路径纠缠态的产生与高维扩展性。二维光学超晶格由于能同时提供多个非共线倒格矢,因而能大大扩展所产生纠缠态的拓展性。本论文对二维光学超晶格中共存的多参量下转换过程进行了系统的研究,讨论了其中典型的几类多参量下转换过程的单光子特性与双光子特性,包括单光子空间模式的分布与调谐、泵浦聚焦对空间模式的影响、参量光子的产生效率以及非共线参量下转换导致的空间关联不对称特性。此外还提出路径纠缠态向高维扩展的可行方案。这些研究指出了二维光学超晶格作为集成光量子芯片的潜力。3、研究了光学超晶格波导芯片上的路径纠缠产生和调控。路径纠缠态可以通过波导体系中的非线性量子行走产生,本论义分析了三根平行波导系统的本征模式,进而研究了三波导系统中纠缠态的产生,并通过改变泵浦光输入、相位失配与耦合系数对纠缠态进行调控,并延伸到四至五根波导阵列的情况,将双光子路径纠缠扩展到更高维度。这种方法产生的纠缠态不随相互作用长度变化,具有稳定、集成、高效的特性。4、提出在波导芯片中实现可预知单光子源的芯片的理论方案。明亮、高信噪比的可预知单光子源在量子通信中有重要应用。本方案通过将泵浦光在波导中多路拆分,然后分别下转换再合束的方法,得到可预知的单光子源。波导芯片可以方便地对泵浦光进行分束操作,因此大大增强了单光子源方案的可扩展性。论文设计了芯片结构和路由器方案,并进行了倍频测试。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 量子光源
•   1.2 量子纠缠态的产生
•     1.2.1 参量下转换
•     1.2.2 准相位匹配原理与光学超晶格
•     1.2.3 参量下转换产生的路径纠缠态
•   1.3 本论文研究思路和论文结构
•   参考文献
• 第二章 二维光学超晶格基本特性和太赫兹波产生
•   2.1 太赫兹波的产生与应用
•   2.2 二维光学超晶格产生太赫兹波的原理设计
•     2.2.1 单芯片中的级联参量下转换过程
•     2.2.2 二维超晶格结构设计
•     2.2.3 近简并信号光与闲置光强度的研究
•     2.2.4 太赫兹波能量的理论计算
•     2.2.5 相关探讨
•   2.3 小结
•   参考文献
• 第三章 二维光学超晶格中路径纠缠态的产生
•   3.1 二维光学超晶格中多参量过程
•     3.1.1 双光子路径纠缠态产生和刻画
•     3.1.2 共存的多参量下转换过程
•   3.2 单路参量光的刻画与调控
•     3.2.1 单光子模式分布及温度调谐
•     3.2.2 单光子空间模式的研究
•     3.2.3 参量光子产生效率
•   3.3 双光子空间关联特性
•     3.3.1 空间关联各向异性的理论研究
•     3.3.2 空间关联实验测量
•     3.3.3 参量光的光纤耦合效率
•   3.4 路径纠缠的高维扩展
•   3.5 小结
•   参考文献
• 第四章 光学超晶格波导芯片上的路径纠缠产生和调控
•   4.1 波导阵列与量子行走
•   4.2 经典参量下转换过程的相干放大
•     4.2.1 体块光学超晶格中经典参量下转换的相干放大
•     4.2.2 非线性波导阵列中耦合对参量过程的影响
•   4.3 三根波导阵列中纠缠态的产生和调控
•     4.3.1 两根耦合波导产生的纠缠态
•     4.3.2 三根波导阵列的本征模式
•     4.3.3 三波导中纠缠产生的理论研究
•     4.3.4 纠缠态的调控
•     4.3.5 纠缠态的刻画
•   4.4 四至五根波导阵列中的纠缠态产生和调控
•   4.5 小结
•   参考文献
• 第五章 光子芯片上可预知单光子源
•   5.1 单光子源在量子光学中的应用
•   5.2 可预知的单光子源芯片方案
•     5.2.1 光子芯片的高维可扩展特性
•     5.2.2 单光子源芯片结构设计
•     5.2.3 单光子源实验方案
•     5.2.4 单光子源实验初探
•   5.3 小结
•   参考文献
• 第六章 总结与展望
• 攻读博士期间发表的学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 罗湘雯

导师: 祝世宁,徐平

关键词: 量子光源,光子芯片,光学超晶格,自发参量下转换,太赫兹波,路径纠缠

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: O43

总页数: 122

文件大小: 8963K

下载量: 101