基于線性光學(xué)的量子信息應(yīng)用研究.pdf

1、由于線性光學(xué)系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括:絕大多數(shù)操作都可以在室溫下完成;光子很難與環(huán)境發(fā)生相互作用，其相干性非常好，是最早用于量子計(jì)算和量子通信的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之一。量子測(cè)量不僅僅是量子力學(xué)的基本公設(shè)之一，在量子信息領(lǐng)域，量子測(cè)量同樣扮演著重要角色。一方面，量子測(cè)量聯(lián)系著從量子世界向經(jīng)典世界的過渡，在理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)它的探索從未停止過。另一方面，量子測(cè)量也被作為一種技術(shù)開發(fā)和利用。如在線性光學(xué)量子計(jì)算框架中，就有基于測(cè)量和后選擇引入光子非線性的

2、方案。另外，最近幾年產(chǎn)生于上世紀(jì)八十年的量子弱測(cè)量理論作為一種技術(shù)越來越受到人們重視，不僅被用于研究量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的探索，還被用來直接測(cè)量單光子波函數(shù)和光子自旋Hall效應(yīng)，更多地被作為一種微弱信號(hào)探測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用。因此，作者首先基于線性光學(xué)系統(tǒng)，完成了關(guān)于量子測(cè)量的幾個(gè)演示性實(shí)驗(yàn)，包括基礎(chǔ)層面和應(yīng)用層面。除此之外，作者還在線性光學(xué)中完成了真正意義上的量子模擬，探索了Landau-Zener動(dòng)力學(xué)模型中的Kibble-Zurek機(jī)制。

3、本論文所取得的主要研究成果如下:
　　 1、我們?cè)诶碚撋咸岢鰷y(cè)量可以導(dǎo)致量子糾纏恢復(fù)，并利用光子的頻率自由度模擬環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)上演示了測(cè)量導(dǎo)致糾纏恢復(fù)的過程。
　　 我們首次在實(shí)驗(yàn)上演示了通過量子測(cè)量恢復(fù)消位相環(huán)境下耗散的糾纏。通過兩次測(cè)量，可以在一定程度上恢復(fù)耗散掉的糾纏。通過比較不同演化階段的糾纏度，直觀地給出了糾纏的耗散和恢復(fù)過程。我們更指出，即便在糾纏突然死亡后，通過測(cè)量可以使糾纏重生。同時(shí)，我們驗(yàn)證了通過測(cè)量恢復(fù)

4、的糾纏態(tài)同樣具有非局域性。我們的結(jié)果可以應(yīng)用于對(duì)抗量子通信中的位相消相干。
　　 2、我們提出可以用內(nèi)在穩(wěn)定的錯(cuò)位式Sagnac型干涉環(huán)實(shí)現(xiàn)部分坍縮測(cè)量和恢復(fù)操作，繼而首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了部分坍縮測(cè)量和恢復(fù)操作的非局域性驗(yàn)證。
　　 我們實(shí)驗(yàn)中所采用的部分坍縮測(cè)量方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)部分坍縮強(qiáng)度的在全范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，利用內(nèi)在穩(wěn)定的高干涉可見度偏振依賴的錯(cuò)位式Sagnac型干涉環(huán)完成了部分坍縮測(cè)量和恢復(fù)操作的非局域性驗(yàn)證。我們的實(shí)

5、驗(yàn)結(jié)果對(duì)量子通信和量子糾錯(cuò)具有重要借鑒意義。
　　 3、我們?cè)诶碚撋匣诹孔尤鯗y(cè)量提出利用白光源完成精密相位估計(jì)的設(shè)想，進(jìn)一步指出虛部弱值可以通過弱測(cè)量演化過程本身引入，降低實(shí)驗(yàn)難度。接著我們利用商業(yè)化的LED光源完成了該方案的演示。
　　 首先，我們?cè)诶碚撋细倪M(jìn)了最原始的利用弱測(cè)量進(jìn)行相位估計(jì)的方案，指出利用頻率域分析的方法可以避免對(duì)光源的苛刻要求，提出可以利用商業(yè)化的白光源即可實(shí)現(xiàn)。我們的方案是色散不敏感的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6、并不依賴于Fourier變換。接著我們?yōu)榱送瓿蓪?shí)驗(yàn)演示，在理論上指出，虛數(shù)弱值的引入并不是必須特殊設(shè)計(jì)預(yù)選態(tài)和后選態(tài)，弱測(cè)量演化本身就會(huì)引入虛數(shù)的弱值，從而在實(shí)驗(yàn)上避免了對(duì)寬光譜進(jìn)行圓偏振態(tài)的制備。然后我們利用商業(yè)化的LED光源完成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示，測(cè)量到了阿秒量級(jí)的縱向相位變化。
　　 4、我們?cè)诰€性光學(xué)中模擬了Landau-Zener動(dòng)力學(xué)演化，首次完成了真正意義上的線性光學(xué)量子模擬，并定量研究了非平衡動(dòng)力學(xué)過程中的Kibb