基于光学参量过程的量子纠缠源研究

论文摘要

近二十年来,量子科学快速发展,它已经成为当下最热门的研究领域之一。量子科学是一个大类学科,它包含很多的研究方向,如:量子计算、量子密钥、量子通信等。在量子科学的研究领域中,量子纠缠源是必不可少的元器件。纠缠是量子力学中一种重要的特征,它描述了粒子对之间的非经典关联特性。即使纠缠的粒子对被分离到很远的距离,系统中每个粒子的量子态也不能独立于其他粒子的状态来单独描述,纠缠系统中所有粒子必须作为一个整体来看待。目前,光量子纠缠源的设计方案主要有两类:一类是基于二阶非线性极化率的自发参量下转换,另一类是基于三阶非线性极化率的四波混频。由于三阶非线性极化率远小于二阶非线性极化率,四波混频过程不利于高亮纠缠光子对的制备,因此我们采用基于二阶非线性极化率的自发参量下转换方案来设计双光子纠缠源。在本论文中,我们使用双格法开发了一种二阶非线性光子晶体的设计程序,通过输入所需参量过程的个数和相位失配量,该程序可以设计出满足所需参量过程的非线性光子晶体,理论上我们的非线性光子晶体设计程序可以满足任意形式的光学自发参量下转换过程。因此在光子纠缠源的设计过程中,首先要确定所需的参量过程并计算其相位失配量,接着根据相位失配量设计可以准相位匹配该参量过程的非线性晶体。我们使用非线性光子晶体设计程序设计了一个二阶准周期非线性光子晶体,这个晶体可以同时准相位匹配两个自发参量下转换过程,其中一个自发参量下转换过程产生的信号光子向正方向传输,闲置光子向反方向传输,另外一个自发参量下转换过程和上一个过程相反,它产生的信号光子向反方向传输,闲置光子向正方向传输,这两个自发参量下转换过程在晶体中是共线的,且它们的发生系数也相同。通过该准周期非线性光子晶体,我们可以实现相向传输的最大路径纠缠双光子态。在我们设计的双光子路径纠缠源中,纠缠光子对具有稳定的输出方向,这不但保证了纠缠态的稳定,还便于纠缠光子对的收集。我们仿真了相向传输路径纠缠双光子态的频谱图,与同向传输双光子路径纠缠源相比,我们这个纠缠源频谱更窄,纯度更高。该相向传输路径纠缠源不但适用于量子编码、量子计算等,它还在集成光子芯片的研究中有着巨大潜力。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 量子纠缠的发展
•   1.2 量子纠缠的应用
•     1.2.1 量子密钥分发
•     1.2.2 量子隐形传态
•     1.2.3 量子计算
•   1.3 研究内容及论文结构
• 第二章 常见的量子纠缠源模型
•   2.1 单维度量子纠缠源
•     2.1.1 偏振纠缠源
•     2.1.2 时间纠缠源
•     2.1.3 路径纠缠源
•   2.2 超纠缠源
•     2.2.1 偏振和路径的超纠缠源
•     2.2.2 偏振和时间的超纠缠源
•   2.3 纠缠检测方案
•     2.3.1 常用的线性光学元件
•     2.3.2 双光子干涉
•   2.4 本章小结
• 第三章 光学自发参量下转换的理论模型
•   3.1 非线性光学过程
•   3.2 自发参量下转换的波动方程
•   3.3 自发参量下转换的耦合波方程
•     3.3.1 相位匹配
•     3.3.2 准相位匹配
•   3.4 自发参量下转换的量子力学描述
•     3.4.1 哈密顿量
•     3.4.2 自发参量下转换生成的双光子态
•   3.5 本章小结
• 第四章 非线性光子晶体的理论模型与设计
•   4.1 非线性光子晶体的结构
•     4.1.1 正格子空间
•     4.1.2 倒格子空间
•   4.2 非线性光子晶体的理论模型
•   4.3 准周期非线性光子晶体设计
•     4.3.1 设计背景
•     4.3.2 设计方法
•   4.4 非线性光子晶体设计方法的验证
•   4.5 本章小结
• 第五章 相向传输路径纠缠源设计与仿真
•   5.1 相向传输路径纠缠源方案
•   5.2 相向传输路径纠缠源的理论模型
•     5.2.1 哈密顿量
•     5.2.2 路径纠缠双光子态
•   5.3 仿真分析与结论
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 主要工作与创新点
•   6.2 后续研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨灿

导师: 何广强

关键词: 量子信息,纠缠,参量下转换,相位匹配,非线性极化率

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 上海交通大学

分类号: O413

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.002539

总页数: 85

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