基于線性光學(xué)的量子信息應(yīng)用研究.pdf

1、由于線性光學(xué)系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，包括:絕大多數(shù)操作都可以在室溫下完成;光子很難與環(huán)境發(fā)生相互作用，其相干性非常好，是最早用于量子計算和量子通信的實驗系統(tǒng)之一。量子測量不僅僅是量子力學(xué)的基本公設(shè)之一，在量子信息領(lǐng)域，量子測量同樣扮演著重要角色。一方面，量子測量聯(lián)系著從量子世界向經(jīng)典世界的過渡，在理論上和實驗上對它的探索從未停止過。另一方面，量子測量也被作為一種技術(shù)開發(fā)和利用。如在線性光學(xué)量子計算框架中，就有基于測量和后選擇引入光子非線性的

2、方案。另外，最近幾年產(chǎn)生于上世紀(jì)八十年的量子弱測量理論作為一種技術(shù)越來越受到人們重視，不僅被用于研究量子力學(xué)基礎(chǔ)問題的探索，還被用來直接測量單光子波函數(shù)和光子自旋Hall效應(yīng)，更多地被作為一種微弱信號探測技術(shù)廣泛應(yīng)用。因此，作者首先基于線性光學(xué)系統(tǒng)，完成了關(guān)于量子測量的幾個演示性實驗，包括基礎(chǔ)層面和應(yīng)用層面。除此之外，作者還在線性光學(xué)中完成了真正意義上的量子模擬，探索了Landau-Zener動力學(xué)模型中的Kibble-Zurek機(jī)制。

3、本論文所取得的主要研究成果如下:
　　 1、我們在理論上提出測量可以導(dǎo)致量子糾纏恢復(fù)，并利用光子的頻率自由度模擬環(huán)境，在實驗上演示了測量導(dǎo)致糾纏恢復(fù)的過程。
　　 我們首次在實驗上演示了通過量子測量恢復(fù)消位相環(huán)境下耗散的糾纏。通過兩次測量，可以在一定程度上恢復(fù)耗散掉的糾纏。通過比較不同演化階段的糾纏度，直觀地給出了糾纏的耗散和恢復(fù)過程。我們更指出，即便在糾纏突然死亡后，通過測量可以使糾纏重生。同時，我們驗證了通過測量恢復(fù)

4、的糾纏態(tài)同樣具有非局域性。我們的結(jié)果可以應(yīng)用于對抗量子通信中的位相消相干。
　　 2、我們提出可以用內(nèi)在穩(wěn)定的錯位式Sagnac型干涉環(huán)實現(xiàn)部分坍縮測量和恢復(fù)操作，繼而首次在實驗上驗證了部分坍縮測量和恢復(fù)操作的非局域性驗證。
　　 我們實驗中所采用的部分坍縮測量方案可以實現(xiàn)對部分坍縮強(qiáng)度的在全范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，利用內(nèi)在穩(wěn)定的高干涉可見度偏振依賴的錯位式Sagnac型干涉環(huán)完成了部分坍縮測量和恢復(fù)操作的非局域性驗證。我們的實

5、驗結(jié)果對量子通信和量子糾錯具有重要借鑒意義。
　　 3、我們在理論上基于量子弱測量提出利用白光源完成精密相位估計的設(shè)想，進(jìn)一步指出虛部弱值可以通過弱測量演化過程本身引入，降低實驗難度。接著我們利用商業(yè)化的LED光源完成了該方案的演示。
　　 首先，我們在理論上改進(jìn)了最原始的利用弱測量進(jìn)行相位估計的方案，指出利用頻率域分析的方法可以避免對光源的苛刻要求，提出可以利用商業(yè)化的白光源即可實現(xiàn)。我們的方案是色散不敏感的，實驗結(jié)果

6、并不依賴于Fourier變換。接著我們?yōu)榱送瓿蓪嶒炑菔?，在理論上指出，虛?shù)弱值的引入并不是必須特殊設(shè)計預(yù)選態(tài)和后選態(tài)，弱測量演化本身就會引入虛數(shù)的弱值，從而在實驗上避免了對寬光譜進(jìn)行圓偏振態(tài)的制備。然后我們利用商業(yè)化的LED光源完成了相關(guān)的實驗演示，測量到了阿秒量級的縱向相位變化。
　　 4、我們在線性光學(xué)中模擬了Landau-Zener動力學(xué)演化，首次完成了真正意義上的線性光學(xué)量子模擬，并定量研究了非平衡動力學(xué)過程中的Kibb