多光子纠缠技术及其应用.pdf
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中国科学技术大学硕士学位论文多光子纠缠技术及其应用姓名:
陈宇翱申请学位级别:
硕士专业:
原子分子物理指导教师:
潘建伟20040501致谢本文萌工作主要是在我的导师潘建伟教授的悉心关怀和指导下完崴的。
感谢我的导师潘建伟教授对我的关怀与辅导,尽管他远在千里之外,而且工作很忙但仍在百忙之中不忘抽出时间关心我的学习和生治,海老师嫡博的专业知识,开放的学术思想,严谨的诒学态度以及无私的奉献精神,将永远的彤响我的科碍道路。
师德如晦,师恩如山在此,谨向潘老师表示最衷心的谢意。
在赵志博士的带领下,在张安宁的帮助下我们一起在实验室工作了两年多在这两年多时间里,我从多方面得到了他们的关怀和照顾在此向赵志,张安宁表示真诚的感谢。
感谢在课题进行过程中给我很多帮助和支持的杨涛、陈增兵教授,他们的敬业精神和治学态度也使我受益匪浅,在此表示深切的感谢。
感谢张永德老师,杨涛老师,陈增兵老师、杜江峰老师,郁思夏老师、id乃乐老师、彭承志张强、张安宁,李卉,张军、周晓祺、候广赵梅生赵博、李力等的帮助,感谢他们在科研工作中给我的帮助,在和他们的讨论中我获益很深。
感谢我的同学在几年的共同学习中,他们给我许多无私帮助。
感镶我的父母二十多耳以采,他们为培养我付出了极大确艰辛。
感谢所有关心和爱护我的人。
中国科学技术大学硕士学位论文摘要本论文主要内容是多粒子纠缠源的产生,操纵与应用。
我们在实验上进一步发展了多粒子纠缠的实验技术,利用脉冲极化光子纠缠对,分别产生了高亮度的三光子源,四光子源和五光子源。
并在此基础上验证了四光子,五光子中量子力学和定域实在论之间的矛盾。
除了研究多粒子纠缠在量子力学基础问题上的性质之外,我们也实现了其在信息论密码学等方向的重要应用:
我们实验实现了纠缠浓缩和量子中继器;第一次实现了终端未定的隐性传态;实验实现了非破坏的可控非。
最后,我们的实验方法将大大促进未米的全球姑子通讯线性光学量子计算,量子力学基础检验等重要科学问题的研究。
E-mail:
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dH鲤多光予纠缠技术发J心用中国科学技术太学硕士学位论文AbstractInthisthesis1willmainlydiscussthegeneration,manipulationandapplicationofmulti-partiteentanglementTheexperimentaltechniqueofmultipaaiteentanglementisfurtherdevelopedByusingpulsedphotonpairsofentangledpolarization,theultrabrightsourceofthree-,four-andfive-photonentanglementcanberealizedBasedontheseentanglementSOurces,thecontradictionbetweenquantummechanicsandlocalrealityisfurtherillustratedBesidestheexperimentalresearchesonmultipartiteentanglementasafundamentalissueinquantummechanics,itsimportantapplicationstoquantuminformationtheoryandquantumcryptographyarealsoinvestigated。
Specifically,weexperimentallyrealizedforthefirsttimeentanglementconcentrationandthequantumrepeater,open-destinationteleportation,aswellasthenondestructivecontrolledNOToperationBelievably,thedevelopedtechniquesinourexperimentswoulddramaticallyfacilitateprogressesinmanyimportantfieldsofscientificresearch,includingglobalquantumcommunication,alllinear-opticalquantumcomputation,vefificmionofthefoundationsofquantummechanics,andetc。
E-maikvawdflustcedu,cn多光了纠缠技术及je成用2中嗣科学技术人学硕上学位论文第一章绪论琏子信息学是量子力学永“言息科学相结合的产物,是一片刚刚崛起、十分广阔深远fj匀新兴交叉学科领域,主要包括量子通讯和量子计算BenneR,1995;BouwmmeesterelaL,2000两个部分。
一个完整的量子信息及信息处理理论给我们提供了许多好处,其中包括它能给出其安全性基于物理基础的密码通讯Bennen“a1,1984;Ekert,1991,并使我们有理由期待构造一台能够极大地提高某些数学问题求解速度的量子计算机Ekertetal,1996。
这些好处来自“量子”的特有性质:
不确定性、相干性以及纠缠EinsteinetaL,1935;BohR1935;SchrOdinger1935。
从本质上讲,基于量子力学的信息理论是经典信息理论的扩展和完善,就好比复数是实数的扩展和完善一样。
除了对经典信息中的信源、信道和编码进行最子化外fBenneaetaL,1984;Ekert,1991,新的理论还包括两个互补的部分:
可量子化的经典信息和量子纠缠。
经典信息可以被任意复制,但只能沿着时间向前传送接收者只能处r发送者向前的光锥内,相反的,纠缠不能铍复皋1WootersandZurek,t982,但却可以将任意两个时空点联系起来。
传统的信息处理方式将破坏纠缠,但量子操作却可以制备纠缠并将其用丁实现各种目的:
如提高某些经典算法的速度Shoo1997;Groveh1996,以及川丁信息或耸子态的传送BennettetaL,1993;Bouwmees|t;erelaL,1997;Bosehietal,1998。
鼙子信息理论其中的一部分就是定性和定鼙的研究量子纠缠以及它利经典信息的相互作_。
近年来。
晕子信息论在理论和实验上都取得了重火突破。
量子态的隐性传态Bennetteal,1993;Bouwmeeseretal,1997;BoschiPfaL,1998】,量子纠缠的隐性传态Zukowskiela1,1993:
Panet以,1998】,连续变茸的隐性传态BraunsteinandKimble,i998:
Furusawaet口,19981等实验是其中的重要内容,并且进一步揭示出量子力学深刻的物理内涵纠缠的1定域性和关联塌缩。
尽管目前姑子信息论仍处丁实验剃理论物理学家的原创性研究阶段,但目前这些重人的进展都让我们认识刮耸子信息论为鼙子理论的实际应州提供了一个全新的视点和生长点。
与以前的量子力学廊用完全不同的是,在量子信息论中人们利川的是鬣子态本身其基本任务是量子态的存储、操纵、传输平输出。
我们可以谨随的预言,链子信息论的发展可能会导致一个新的餐子技术时代。
纠缠是量子通讯跟量子计算的基础Bennett,1995;BouwmmeesterelaL,2000,对比正负E-mail:
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纠缠技术驶其跳用中国科学技术大学钡:
L学位论立电子对撞、原子层叠衰变JulsgarrdetaL,2001、离子井CiracandZoller,1995】、腔QEDPhoenixandBarnett,1993;Hagleyetal,1997;Rauschenbeuteletal,2000;Raimond“aL,2001等不同的量子比特源,极化纠缠光子的量子比特源在量子通讯和量子密码GisifietaL,2002等方面有很多优点。
在远程量子通讯方面阕为光子具有速度快和环境耦合小、并且光纤传输技术比较成熟等优势所以实现量子密钥分配和量子通讯一般使jjj的载体是光子。
在本文中我们都采用基。
r光子的最子比特源并研究其性质。
使用光子做密钥分配一般有两种方法,第一种是利用单光子极化编码,把随机信息赋予单光子的极化,根据量子不可克隆定理,使用经典通信的方法可以保证绝对的防It窃听。
但在实际应崩中,因为噪声的存在和环境对光子的吸收,导致光子数呈指数衰减,所以远程通讯势必要求高亮度的单光子源,在现有的技术条件下是不现实的。
另外一种是利用纠缠源来做密钥分配,根据量子纠缠的特性,窃听者利用局域操作无法得刘任何信息,并且,产生密钥的双方可以通过测量贝尔(Bell)不等式的方法来判断是否存在窃听。
在理论上,这种方法也是绝对安全的。
而且这种利用纠缠对的量子密钥分配方法在远稗通信过程中可以殴立很多中继站,利用纠缠交换的方法,可以让光子衰减变成线性衰减,这样就可以克服单光子密钥分配的缺点,纠缠交换操作己由潘建伟及其合作者于1998年在实验上实现Paneta1,19981。
但是这种利用纠缠的方法也有很重要的缺陷,就是纠缠对在传播的过样中与环境相互作_l-|j,会有量子消相干效应,导致纠缠度和纯度的卜r降,使远程通信不能实_l=|。
解决消相干效应最有效的方式是量子纠缠纯化Paneta1,2001b;Panetal,2003】,即从儿对纠缠度帚眺度都艮低的量子纠缠对中提取一对纠缠度和纯度都符合量子密钥分配要求的纠缠对。
把纠缠纯化剃纠缠交换结合起来。
我们就得到了簟子中继站Briegeleta1,998。
有了中继站,基丁纠缠对的量子远徉通信才能最终实现;其次,住远程量子通讯中的噪声的干扰必然导致对信号钓传稀产生镭误,土要有比特翻转和相位翻转两种错误,为了得到准确的信息,必须要对通讯进行纠错。
而这些都需要多光子的技术。
本文中的主要作就是多光子技术的实现以及对多光子技术的应川的一些实验上的研究、分析和总结。
我们在实验上成功地制番了高亮度高质晕的四光子GHz态纠缠源,利崩该纠缠源在世界上第一次完整验证了四光子GHZ态对定域实在论的违背,并且首次证明了该种方法产生的态是真正的四光子OHZ态Zhaoeta1,2003a:
在这一纠缠源的基础上,我们首次实现了基于纠缠交换的餐子中继器Ztaaoeta1,2003b,年【鼙子纠缠浓缩的实现一起原理性毡证明了基于上述技术可以在遥远的两地建立最大纠缠,从而为来米远距离量子通信的实现奠定了基础;利川单光__f源跟一对EPR纠缠源的作川我们实现了超高亮度的二光子纠缠源,在三Email:
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鲤多光T-q缠技术驶jlJ训节4中国科学技术大学硬上学位论文光子、四光子纠缠源的基础上,首次实验验证了三人密锡分配,以及基于纠缠交换的密码,验证了基于纠缠交换的信息能传得更远;通过三光予跟四光子技术的结合。
我们首次实现了五光子纠缠,并实现了未知量子态开放目标的隐性传态,以及可升级的控制非门。
这篇论文主要讲述我们对多光子纠缠技术的掌握,以及多光予技术在量子通讯方面的些应剧。
内容安排如下:
第一章即本章。
四光子技术是第二章的主要内容包括了四光子的制备、西光子非定域性的检验这是世界上首次完整的验证四光子GHZ态对定域实在论的矛盾。
并且第一次从实验上验证我们所得到的态是真正的四光子GHZ态,并且我们的四光子源的亮度比以前的四光子实验高了几个数量级。
随着对纠缠对技术的迸一步掌握,硝单光子源跟EPR纠缠源作用,可以得到三光子GHZ态。
将四光子的技术以及三光子技术相结合,我们有望首次实现量子信息处理中的一个极大的挑战五体纠缠第三章我们就给山了五光于纠缠的制各以及作为五光子的一个应用。
终端未定的隐性传态的实现进一步的我们埔五光子完成了可升级的控制1I逻辑门。
第四章是对以上的内容作总结并对将来的研究提出展望。
E-mail:
vachen127,mailtJstce,4ucn多光了纠缠技术发E心用中国科学技术大学硎士学位论文第二章四光子纠缠技术及应用自从Einstein、Podolsky和Rosenl935年开创性的提出EPR徉谬EinsteinelaL,1935以来,Bell于1964年根据Einstein的定域实在论和隐变数理论提115Betl不等式Bell,j964,Clauser等又在1969年对Bell不等式作推广,提山7CHSH不等式ClauseretaL,1969,由此为了验证量子理论跟定域实在论的矛盾,制备纠缠着的粒子也成为一种需求,虽然两粒子纠缠在很早以前就被在不同的领域实现puandShaknov,1950;FreedmanandClauser,1972;Aspectet口t,1982;KwiatetaL。
1995;HagleyetaL,1997,但是三粒子或者更多粒子的纠缠一直是个挑战,人们在不同领域提出了各种实验方案,如光子Greenbergereta1,1990;Zeilingeret以,1997;PanandZeitinger,1998a、原子CiracandZoller,1994;Haroche,19951等等,但是真正的多粒子纠缠一直到很晚才渐渐的被实现。
而多粒子纠缠态不只在鼙子力擘跟定域实在论的基本测试中扮演重要的角色,也几乎是所有量子信息过科比如量子通讯和最子计算的基础Bennett,1995;Bouwmmeesterel以,2000】。
多粒子的纠缠态是个非常吸引人的龄子系统,尤其是最人纠缠态旬HZ态Greenbergerelal,,19901。
在检测鼙子力学跟定域实经论的基本原!
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15上|勺矛盾中,GHZ态扮演了一个非常重要的角色Zhaoetd,2003a,并且在姑子信息与量子通讯【Bouwmeesterela1,2000中有着很多的庶JLl=|,比如龄子密码通讯包括姑子密钥分日gTiRleeta1,20011、多方密码Hilteryet口,19991等。
与只有在使用量子力学进行统计相关性预测上和定域实在论预言不一致的两粒子纠缠态相反,在超过两粒子的最火化纠缠态中即使对最子力学所进行的非统计预测也有对定域实在论颈言的破N-:
Greenberger甜aL,1990。
更进一步,鹫于力学可以破坏由定域实在论引起的按纠缠态粒子数指数增良的多粒子Bell科的不等式【Mermin,1990b;Ardehali,1992;2ukowskielaL,1993】。
也就是说,系统的纠缠态越高级量子力学年定域实在论之间的冲突越明显。
近年来,三光子纠缠态已得到实验实现Bouwmeesteretaf1999并已丁验证在GHZ态下量子力学和定域实在论之间的矛盾Paneta1,20001。
同时,基丁原子的三粒子纠缠态【Rauschenbeuteleta1,2000和基于离子阱的四粒子的纠缠态SackettetaL,2000已经在实验上得到实现。
虽然关于GHZ纠缠的理论已经取得重要的实验进展Paneta1,2000,但是三光子实验并没有得到能足以证实真正的多粒子纠缠态的相干性Ufnnk,2002】,这是因为测量E-mail:
achen岔maikusteeducn多光予纠缠技术殷J脚斤6中周科学技术大学硕士学位论文结果的数据原则上可以崩一个小丁三个粒子杂化纠缠模型来解释,这样的态并非真正的多粒子纠缠态。
使用在最近一次实验中得到的高纯度的四光子纠缠态panetaL,2001,原则上可以通过Bell不等式的破坏来排除这样一种杂化模型:
然而由于计数率太低,能够违背Bell不等式的数据需要很K的时间才能采集剑,实验中并朱对此作验证。
因此,真止的多粒子纠缠态仍然有待实验证明。
也是基丁这个原因,很多人对提高极化纠缠源的亮度方面相当感兴趣KwiatelaL,1995;KwiatetaL,1999;Kurtsieferetal,2001;Sanakaetal,2001;Tanzillietat200t,高亮度的纠缠源也已经应用在很多方面,比如密集编ggsMattleetaL,19961、量子密钥分配Ekert,1991;Ekerteta1,1992;Naiketa1,2000;Jenneweineta1,2000;TitteletaL2000】、量子隐性传态Bennettela1,1993等。
E-mail:
墼b如坌趔Hs丛d女:
塑多光予纠缠技术及其墟用中国科学技术大学硕jj学位论文第1节四光子GHZ纠缠态以及非定域性的检验我们展示了一个高亮度的四光予纠缠GHZ态的源,并且第一次检验了基于四光子GHZ态的对定域实在论预言的违背。
在实验的精度下,通过对四种不同基矢组合的测量,我们验证了量子力学跟定域实在论在GHZ态下非统计的冲突。
进一步的我们证明了我们的四光子态对Mermin-ArdehaliBelinskiiKlyshko不等式的违背达到76个标准偏差,以此证明了该四光子纠缠源是真正的四光子纠缠态,而排除了杂化纠缠模型的可能性。
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achen,A,mailstceducn多光了纠缠拄术殷士应用8中国科学技术大学砸上学位论文1I四光子源前面我们已经介耋了极化纠缠光子对,也介绍了通过GHZ分析的办法米制各GHZ态的办法这个办法需要四对纠缠对制备出一个四光子GHZ态,不过这种办法太废资源,而且在目前我们的实验条件r很难实现,我们这里介绍一种比较简单的四光子纠缠对的制各。
DlD2D3幽211四光子纠缠源示意图如图211所示,1、2跟3、4是两对EPR光子对,其量子态可写为忱5击y)一1矿)忱=击矿)一Iy1)l)。
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2I22跟3在一个极化分束器上交迭,适当调节其中一个光子的光程,使得2跟3同时到达极化分柬器,易知,当D1、D2、D3跟D4有四体符合时,由全同性原理,没法医分D2跟D3J;|勺光子的来源是2还是3,丁是,出射的四个光子的Lj_于态即为:
)=百10-IvIvIH)+Iv1日l爿)矿)2I3工为17;11光子GHZ态Zeilingerel甜,19971,需要指出的是,实际上我们得到是这样的态:
)=去6胃)f矿)f矿)f)+。
”f矿)f日)f胃)fy)qZ2,14通过调坩补偿可以将妒没定为我fl需要的值(0或者n),我们就得到了四光子GHZ态中的两个,通过一些局部的么正操作,可以得到其它形式的GHZ态。
这里我们是在四个出口各有一个光子的条件下,四光子的态才为GHZ纠缠态,但是止E-mail:
Y4b婴壶!
血型4s坠型女:
蛆多光f纠缠技术及儿麻用9中国科学技术大学硕士学位论文如文献PanetaL,2000;PanetaL,200la所述,这种后选择的条件并不影响我们对定域实在论的检验,
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- 光子 纠缠 技术 及其 应用