基于光與離子的量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建.pdf

1、在20世紀(jì)的物理學(xué)界中，量子力學(xué)無疑是最璀璨的一顆明珠。它雖然反物理直覺，但是完美地符合實驗。隨著量子力學(xué)的深入發(fā)展，又派生出了一系列交叉學(xué)科。量子信息學(xué)就是其中的佼佼者。量子信息學(xué)的核心是將信息通過量子態(tài)來編碼，利用量子態(tài)本質(zhì)上的疊加性，完成經(jīng)典信息學(xué)不能完成的一些任務(wù)。在完成某一個任務(wù)的過程中，需要對量子態(tài)進(jìn)行各種處理，包括制備、傳輸、旋轉(zhuǎn)、存儲、測量等。
　　為了完成對量子態(tài)的操作，我們需要一個或者多個量子系統(tǒng)。現(xiàn)今，比較熱

2、門的系統(tǒng)有光學(xué)系統(tǒng)、囚禁離子系統(tǒng)、中性原子系統(tǒng)、量子點(diǎn)系統(tǒng)、NV色心系統(tǒng)、超導(dǎo)電路系統(tǒng)、核磁共振系統(tǒng)、腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)、腔機(jī)械振子系統(tǒng)等。其中，光學(xué)系統(tǒng)擁有優(yōu)良的傳輸性能和簡單的量子態(tài)處理手段。囚禁離子系統(tǒng)擁有極長的相干時間，極強(qiáng)的相互作用勢。
　　這篇論文，我們將精力放在這兩個系統(tǒng)上。我們簡要地介紹了這兩個系統(tǒng)的基本原理，主要地討論了基于光子系統(tǒng)和囚禁離子系統(tǒng)的量子網(wǎng)絡(luò)搭建。取得的成果有如下幾個:
　　1.多用戶到多用戶

3、的通信波段偏振糾纏光子的糾纏分發(fā):
　　由于通信波段光子在光纖中傳輸?shù)膿p耗極小，所以它們已經(jīng)被廣泛地用于許多量子通信實驗。這里，我們用通信波段偏振糾纏光子結(jié)合局域的波分復(fù)用設(shè)備來搭建量子糾纏分發(fā)器。我們用Beamlike型參量下轉(zhuǎn)換源來制備通信波段的偏振糾纏光子。這樣做的優(yōu)勢是可以擴(kuò)展到多個量子節(jié)點(diǎn)，從而進(jìn)行一系列多方量子通信。我們實驗上演示了我們的通信波段偏振糾纏源的保真度和糾纏度都大于95％。并且，在經(jīng)過長距離的光纖傳輸后，糾

4、纏度仍然能夠得到保持。在糾纏分發(fā)實驗中，我們演示了經(jīng)過波分復(fù)用器糾纏分發(fā)后，多用戶到多用戶的糾纏度仍然得到保持。我們也演示了多用戶之間的糾纏違背CHSH不等式。最后，作為我們糾纏分發(fā)源的一個應(yīng)用，我們驗證了這個源能夠提取量子密鑰，并且計算了多用戶之間的量子密鑰率。
　　2.非局域非馬爾科夫環(huán)境的糾纏保護(hù):
　　由于光子在量子信道中傳輸會受到各種退相干機(jī)制的影響，所以需要某種方法來保持光子的相干性。這里，我們演示了光子開放系統(tǒng)

5、可以利用初始環(huán)境中的的信息。光子系統(tǒng)在局域環(huán)境的作用下顯示馬爾科夫性，即光子的相干性會慢慢消失。但是，符合環(huán)境中的初始關(guān)聯(lián)性會導(dǎo)致非局域動力學(xué)，這會顯示非馬爾科夫性，即光子的相干性會恢復(fù)。我們演示了通過改變初始環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)特性來控制光子開放系統(tǒng)的動力學(xué)演化。反過來，我們還演示了通過測試光子系統(tǒng)的相干性變化，可以間接地得到環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)度。最后，我們演示了通過改變環(huán)境的演化方式，可以保護(hù)光子系統(tǒng)的相干性，使其相干性完全不被環(huán)境破壞。