基于新型高亮度糾纏源的多光子量子信息處理實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、20世紀(jì)初期，量子力學(xué)從它誕生開始，就存在著不同的理解和許多爭(zhēng)論。隨著科學(xué)家們研究深入，人們對(duì)量子力學(xué)的認(rèn)識(shí)更加深刻和確信。20世紀(jì)90年代，量子力學(xué)與蓬勃發(fā)展的信息科學(xué)相結(jié)合，將信息科學(xué)帶入了一個(gè)新天地。量子信息科學(xué)主要包括量子通信和量子計(jì)算，而量子信息科學(xué)的基礎(chǔ)則是量子態(tài)的制備、變換、傳輸、存儲(chǔ)以及測(cè)量?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)很多系統(tǒng)可以用作研究量子信息科學(xué)的平臺(tái)，較常見的有：光學(xué)體系、量子點(diǎn)（Quantum Dot）、核磁共振體系（NMR）

2、、腔電動(dòng)力學(xué)體系（Cavity QED）和原子系綜等。光學(xué)體系與其它體系相比，技術(shù)發(fā)展相對(duì)全面，而且光子具有環(huán)境消相干作用小，易于操縱等優(yōu)點(diǎn)。首先，光纖網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)，光子是天然的飛行比特，因此量子通信的研究基本都在光學(xué)體系中進(jìn)行；其次,2001年Knill，Laflamme和Milburn三人在自然雜志發(fā)表的一篇論文證明了線性光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的可能性，大大推動(dòng)了光學(xué)體系在量子計(jì)算方面的研究。
　　 雙光子量子糾

3、纏體系是目前最簡(jiǎn)單也是技術(shù)較為成熟的量子糾纏體系。人們通常通過非線性晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換來制備它。以此為基礎(chǔ)，人們可以進(jìn)一步開展多光子糾纏態(tài)的制備和操縱研究，從而為實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)量子比特的量子信息處理任務(wù)提供一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。本論文從改進(jìn)雙光子糾纏源亮度、效率、品質(zhì)等工作開始，進(jìn)一步完成了八光子糾纏態(tài)制備及操縱、糾纏退相干導(dǎo)致的自發(fā)對(duì)稱破缺以及糾纏突然死亡現(xiàn)象的“l(fā)argeness”效應(yīng)演示等一系列實(shí)驗(yàn)工作。
　　 Ⅰ、八

4、光子通信復(fù)雜度實(shí)驗(yàn)
　　 在量子力學(xué)中多粒子糾纏態(tài)是個(gè)很重要的問題。隨著對(duì)量子力學(xué)的深入了解人們發(fā)現(xiàn)，少體系統(tǒng)和多體系統(tǒng)有著不同的特性，科學(xué)家們急需多維系統(tǒng)的“原材料”來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和探究。因此，能否制備多粒子糾纏態(tài)對(duì)于量子力學(xué)的發(fā)展起著非常重要的作用。在信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和量子力學(xué)高度交融的今天，多粒子糾纏態(tài)對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)，量子計(jì)算的深入研究有著非同一般的意義。2005年H.Haffner實(shí)驗(yàn)小組成功的在離子阱中制備了八粒子糾

5、纏態(tài)。這是人類迄今為止做出來的粒子數(shù)最多的糾纏態(tài)。遺憾的是，在光子體系中，由于目前用于制備多光子糾纏態(tài)的最重要技術(shù)---自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)中存在的種種限制，多光子糾纏態(tài)的制備隨著粒子數(shù)的增加變得十分困難。在我們之前，人們最多只能夠制備六光子糾纏態(tài)。我們成功的在非常低的泵浦功率（400mw）下制備出了世界上第一個(gè)八光子GHZ型糾纏態(tài)，并且我們利用所制備的八光子GHZ型糾纏態(tài)完成了八方量子通信復(fù)雜度實(shí)驗(yàn)演示。
　　 Ⅱ、對(duì)量子退相干

6、過程中的自發(fā)對(duì)稱破缺的研究
　　 復(fù)雜量子體系是十分脆弱的，這一特點(diǎn)使得在現(xiàn)實(shí)生活中量子系統(tǒng)不可避免的會(huì)被現(xiàn)實(shí)生活中的外界環(huán)境所干擾。這種干擾已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)較大系統(tǒng)內(nèi)量子信息方案最大的阻礙。我們將量子系統(tǒng)與環(huán)境相互作用最后量子系統(tǒng)中糾纏特性被破壞的這個(gè)過程稱作“退相干”（decoherence）。退相干現(xiàn)象對(duì)量子信息研究領(lǐng)域十分重要，在某些時(shí)候能夠?yàn)槲覀儗?duì)量子力學(xué)本質(zhì)的深入理解帶來新的視角。2009年Karpat和Gedik等人

7、研究了交換對(duì)稱性的退相干模型（exchange-symmetric decoherencing model）和貝爾態(tài)在其中隨著時(shí)間演化過程中的交換對(duì)稱性。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證。我們的結(jié)果表明理論結(jié)果表明不是有所有具有交換對(duì)稱性質(zhì)的三個(gè)貝爾態(tài)都能在時(shí)間演化中保持交換對(duì)稱性。貝爾態(tài)|(φ)+>1/√2(|01>+10>)即使在具有交換對(duì)稱性的退相干模型的哈密頓量中發(fā)生時(shí)間演化，其對(duì)稱破缺性仍然會(huì)被破壞。
　　 Ⅲ、有關(guān)“