基于原子系綜的多自由度糾纏存儲的實驗研究.pdf

1、近三十年來量子力學的理論逐漸應用于自然科學的各個方面，對不同學科的發(fā)展產生了巨大的促進作用，同時它本身也得到了極大豐富和發(fā)展，并與其它學科結合形成了一些新的交叉學科。量子信息科學就是在這樣的形式下應運而生了。利用量子信息技術，科學家有望實現絕對安全的量子通信和遠超經典計算能力的量子計算機。在量子通信中，信息通過糾纏交換和量子存儲實現遠距離中繼傳輸;而在量子計算中，信息需要經過量子存儲實現復雜的量子信息處理過程。因此量子存儲在量子信息科學

2、中具有非常重要的作用，它直接決定長距離量子通信和復雜量子計算的可行性。在量子信息中，糾纏信息一般加載在光子的不同自由度上。目前基于單個自由度糾纏的量子存儲在不同體系中均有進展。然而通用、大容量量子通信和量子計算的實現需要存儲多自由度的量子糾纏，因而實現多自由度糾纏的量子存儲是目前量子信息領域內的研究熱點。本論文以實現多自由度糾纏存儲為目標，主要開展了基于原子系綜體系制備各種不同自由度的糾纏源和實現多個自由度量子糾纏存儲的實驗研究。本論文

3、的研究工作對于通用、大容量量子計算和量子通信的實現具有重要的參考價值。
　　本論文的主要研究內容如下:
　　1.實驗研究了基于原子系綜的不同自由度糾纏光源的制備。介紹了各種不同自由度糾纏光源的產生方法和光源制備的核心-自發(fā)四波混頻(SFWM)過程，闡明了在梯形、雙λ形和菱形能級中SFWM的光路設計，并以熱原子梯形能級為例，詳細介紹了非經典780 nm-776 nm光子對的產生和非經典特性的驗證。
　　2.探索了偏振自由

4、度下雙色糾纏光源在原子系綜中的產生和存儲。在冷原子系綜中成功制備雙色偏振糾纏光源的基礎上，我們將糾纏光源中的紅外光子耦合進光纖進行傳輸，將可見光子導入第二個冷原子系綜中，并利用一種增強型電磁誘導透明(EIT)存儲方案進行存儲。實驗結果表明雙色偏振糾纏可以被高保真的存儲于原子系綜中。
　　3.實驗研究了基于DLCZ協(xié)議位置-動量基Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏存儲。利用激光冷卻制備的冷原子團，在原子系綜

5、中通過SRS過程，產生了在位置-動量EPR糾纏的單光子和原子自旋波，在經過一段時間存儲后，將自旋波讀出為單光子，然后通過鬼成像和鬼干涉實驗驗證。結果表明位置-動量EPR糾纏可以有效的存儲于冷原子系綜中。
　　4.實驗研究了在偏振自由度和軌道角動量（OAM）自由度下多自由度糾纏的量子存儲。包含兩個過程:第一過程是利用兩個冷原子系綜，在第一個原子系綜中通過SRS過程，在馬赫曾德(MZ)干涉儀的輔助下，制備單光子與原子自旋波的超糾纏，并

6、將單光子導入第二個原子系綜中進行存儲，從而建立兩個原子系綜之間的超糾纏;第二個過程利用SRS過程和Sagnac干涉儀，制備單光子OAM態(tài)與第一個原子系綜中原子自旋波的在不同自由度的雜化糾纏，再將該單光子存儲在第二個原子系綜中，從而制備兩個原子系綜在多自由度上的雜化糾纏。實驗上通過構建密度矩陣、檢驗Clauser-Horne-Shimony-Holt(CHSH)類型貝爾不等式的違背、刻畫干涉曲線、驗證糾纏Witness等方式，驗證了存儲前

7、后的糾纏。
　　本論文的特色和主要創(chuàng)新點如下:
　　1.系統(tǒng)全面地介紹了基于原子系綜的梯形、雙λ形和菱形能級利用SFWM過程產生非經典光源和不同自由度糾纏光源的一般方法。
　　2.首次實現了雙色偏振糾纏光子對的量子存儲。實驗演示了長距離量子通信中一個節(jié)點的功能:將一對雙色糾纏光子中的一個光子存儲在原子系綜中，另一個紅外光子導入光纖中進行遠距離傳輸，建立了原子自旋波與紅外光子之間的糾纏。由于紅外光子在光纖中具有低損耗傳輸

8、的特性，因此這種方案能夠減少長距離量子通信所需要的中繼個數，對未來基于光纖的長距離量子通信具有重要參考價值。
　　3.首次在冷原子系綜中完成了對位置動量基矢下的EPR糾纏的量子存儲。在一個原子系綜中通過自發(fā)拉曼散射實現可存儲的原子自旋波和單光子的ERP位置動量糾纏。實驗結果表明，光子的位置動量EPR糾纏能夠被高保真的存儲。這可以用于基于空間復用的量子信息處理過程。
　　4.首次利用偏振自由度和軌道角動量自由度實現了超糾纏和雜