多光子態(tài)的干涉和區(qū)分.pdf

1、光學(xué)，作為一種工具，早已被廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究中．特別是在激光被發(fā)明后，很多重要的研究和發(fā)現(xiàn)都是以它為基礎(chǔ)完成的．同樣，光學(xué)也推動(dòng)著物理學(xué)，尤其是近代物理學(xué)的發(fā)展．如對(duì)光場(chǎng)輻射的研究直接導(dǎo)致了量子力學(xué)的產(chǎn)生，使得人類進(jìn)入量子時(shí)代．自上個(gè)世紀(jì)80年代開始，誕生了一種建立在量子力學(xué)基本原理上的信息處理方法一量子信息．在此量子信息理論中，量子力學(xué)的量子態(tài)疊加理論和測(cè)量塌縮理論保證了量子密鑰分配的安全；同樣量子態(tài)疊加理論和演化理論使得量子計(jì)算

2、可以并行工作，其效率將遠(yuǎn)優(yōu)于普通電子計(jì)算機(jī)． 在實(shí)驗(yàn)上，人們嘗試著在多種物理體系上實(shí)現(xiàn)量子通訊和量子計(jì)算．而光學(xué)方法因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，較其他方法發(fā)展更快．首先，光子的易傳輸性是其他物理體系不具備的．因此在實(shí)際量子密鑰分配中，幾乎都使用光子作為信息載體．其次，成熟的非線性光學(xué)手段和良好的激光光源使得光子態(tài)制備變的容易．最后，對(duì)于光子態(tài)的精密控制和探測(cè)也使得人們?nèi)菀淄瓿刹煌牧孔硬倏胤桨福?，諸如量子密鑰分配，量子力學(xué)非局域性檢驗(yàn)

3、，量子隱形傳態(tài)等一系列實(shí)驗(yàn)都是首先利用光子完成． 實(shí)際上，用在量子信息中的光子操作在物理本質(zhì)上就是某種光子干涉，都是建立在某些干涉模型上的．如單光子實(shí)際的量子密鑰分配的光學(xué)部分就是一種單光子干涉；而利用線性光學(xué)方法來(lái)完成的量子計(jì)算方案是多光子干涉．因此對(duì)光子干涉本身的研究將為其在量子信息中的應(yīng)用提供更好的方法．反過來(lái)，光子干涉也是一種量子操作過程．我們可以利用量子信息的語(yǔ)言來(lái)描述和分析干涉．例如光子干涉時(shí)對(duì)態(tài)的轉(zhuǎn)換可以表示成量子

4、信息中的量子比特操作；而其干涉可見度的不同就是量子信息中的消相于作用的結(jié)果． 目前量子信息科學(xué)中最常用多光子源是用光學(xué)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的．本博士論文討論了由該過程產(chǎn)生光子之間的干涉和態(tài)的可區(qū)分性，以及在量子信息中的應(yīng)用．具體有以下幾個(gè)主要內(nèi)容： 1．光子干涉的本質(zhì)以及在量子信息中的應(yīng)用我們揭示了光子干涉的本質(zhì)是光子的不可區(qū)分性．只要存在不可區(qū)分性，不僅單光子會(huì)發(fā)生干涉，雙光子以及多光子同樣會(huì)發(fā)生干涉．利用此觀點(diǎn)，討論了不同

5、的單光子，雙光子和多光子干涉；并進(jìn)一步討論了這些干涉在量子信息，量子計(jì)算和量子測(cè)量中的應(yīng)用． 2．同路徑多個(gè)光子態(tài)的干涉和可區(qū)分性我們首先研究了同路徑多光子偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)特性．因?yàn)樵谛D(zhuǎn)操作中，多個(gè)光子之間相互干涉，其結(jié)果將顯示與單光子完全不同的現(xiàn)象．為了進(jìn)一步研究此類多光子干涉，我們構(gòu)造了雙模多光子態(tài)投影測(cè)量，包括光子數(shù)最大糾纏態(tài)(NOON態(tài))投影測(cè)量．利用光子數(shù)最大糾纏態(tài)(NOON態(tài))投影測(cè)量，我們可以用參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的多光子

6、對(duì)演示多光子德布羅意波長(zhǎng)；在高精度量子相位測(cè)量中，我們直接用參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的多光子對(duì)和相應(yīng)的多光子態(tài)投影測(cè)量得到量子力學(xué)所允許的最好相位精度-海森堡極限．此外，利用NOON態(tài)投影測(cè)量可以完成廣義的多光子Hong-Ou-Mandel干涉，并干涉結(jié)果與光子態(tài)的可區(qū)分性一一對(duì)應(yīng)． 3．受激輻射和光子聚束我們利用參量下轉(zhuǎn)換過程，在實(shí)驗(yàn)上直接觀測(cè)到了光子受激輻射引起的光子聚束現(xiàn)象．進(jìn)一步，我們從理論和實(shí)驗(yàn)上揭示了由受激輻射產(chǎn)生的光子聚束與

7、光子干涉產(chǎn)生的光子聚束本質(zhì)都來(lái)自于光子的不可區(qū)分性．而光子的不可區(qū)分性是因?yàn)榕c其他光子或自由度存在糾纏，因此我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上利用受激輻射得到的兩個(gè)雙光子態(tài)的贗拷貝測(cè)量了該雙光子態(tài)的糾纏． 4．多自由度的光子干涉與糾纏所有的光子干涉都可以認(rèn)為是量子計(jì)算的結(jié)果．光子干涉中會(huì)牽涉到多個(gè)自由度以及多個(gè)光子．我們利用量子計(jì)算的語(yǔ)言加上光子的交換對(duì)稱性重新描述了這些干涉，并討論了光子態(tài)中的糾纏．存在于不同自由度之間或不同光子之間的糾纏會(huì)引起自由