自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生單光子對的應(yīng)用及其統(tǒng)計(jì)特性研究.pdf

1、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程利用非線性晶體的二階非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn):一個頻率較高的光子（泵浦光）在滿足相位匹配的條件下，在非線性晶體內(nèi)同時（時間差不超過10-15秒）產(chǎn)生兩個頻率較低的光子（下轉(zhuǎn)換光），這兩個光子在時間、空間以及能量方面有著高度關(guān)聯(lián)的特性。到目前為止，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程被認(rèn)為是能夠最有效地產(chǎn)生高度關(guān)聯(lián)的單光子對的方法之一，而單光子態(tài)作為一種非經(jīng)典光場，在基礎(chǔ)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、量子保密通訊、量子計(jì)算以及量子高精度測量等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用

2、。
　　自從自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程首次在實(shí)驗(yàn)被觀察到以來，這個過程所產(chǎn)生的高度關(guān)聯(lián)的孿生光子對的特性就被人們進(jìn)行了廣泛的研究，尤其是人們可以只探測其中一個單光子，用以判定另一單光子的存在，也即在不破壞（探測）單光子的情況下預(yù)言單光子的存在，進(jìn)而可以將此單光子提供給后續(xù)研究。由于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程有著這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得對這個過程特性的研究成為國際上各個小組的研究熱點(diǎn)之一。本文的主要內(nèi)容均是圍繞自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程所展開，結(jié)合單光子的探測

3、、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、以及符合計(jì)數(shù)測量等手段詳細(xì)地研究了下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對的分布范圍，計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布特性以及其在一些量子過程中的應(yīng)用。
　　本文的主要工作有以下幾個方面:
　　1.詳細(xì)地回顧了目前可以在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生單光子的各種方法，并給出自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生單光子所具有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)而介紹了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程在基礎(chǔ)物理研究，及其在量子計(jì)算、量子度量衡等方面的應(yīng)用。
　　2.從相位匹配條件出發(fā)，理論上分析了當(dāng)泵浦源為單色平面波

4、和飛秒脈沖時對Ⅰ類相位匹配的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號（閑置）光分布范圍以及符合范圍所造成的不同的影響。結(jié)果表明由于飛秒脈沖具有較寬的光譜分布，使得其作為泵浦源時，下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號（閑置）光的角分布范圍明顯要比單色波泵浦時的范圍要大。而且，泵浦脈沖的譜越寬，下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號（閑置）光的角分布范圍越大。最后，在實(shí)驗(yàn)上測量了當(dāng)泵浦為飛秒脈沖時下轉(zhuǎn)換光的角分布，結(jié)果與理論分析基本一致。
　　3.研究了利用飛秒脈沖泵浦的Ⅰ類非共線相位匹配的

5、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)的量子鬼成像，并分析了測量帶寬對量子鬼成像實(shí)驗(yàn)的成像范圍和分辨率所造成的影響。結(jié)果表明，有限的測量帶寬將會縮減所能成像的范圍，但會使成像的分辨率有所提高。同時，探測時所選用的濾波片的透射線型將會影響到量子鬼成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過歸一化過程處理，可以消除這種影響。
　　4.利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程以及一個單光子探測器，提出一個實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射型探測器的理論方案，并研究了利用此類型探測器實(shí)現(xiàn)的反常規(guī)排列的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)和F

6、ano因子的測量結(jié)果，比較了其與常規(guī)探測器測量所得結(jié)果的不同，給出此類型探測器的優(yōu)點(diǎn)。最后，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下對提出的理論模型進(jìn)行了測量研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析定性一致。
　　5.利用光子計(jì)數(shù)技術(shù)對自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號光以及一個弱贗光場的光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱光場的強(qiáng)度足夠低時，光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布依然滿足負(fù)二項(xiàng)分布，但是傳統(tǒng)理論給出的對應(yīng)分布中簡并因子的表達(dá)式不能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，傳統(tǒng)理論具有一定的局限性。在此基

7、礎(chǔ)之上，用量子理論重新推導(dǎo)了簡并因子的表達(dá)式，并給出了一個新的、通用的關(guān)于簡并因子的量子力學(xué)表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子理論推出的表達(dá)式相符，證明了量子噪聲在光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)中的重要性。在這些研究工作中，屬于創(chuàng)新性的工作有以下幾點(diǎn):
　　1.詳細(xì)地研究了利用飛秒脈沖作為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的泵浦源時，泵浦譜寬和探測帶寬對下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號（閑置）光分布范圍和符合范圍造成的影響，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，二者基本一致。
　　2.研究了利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)