1、多色多組份糾纏及高階橫模糾纏態(tài)的研究【摘要】：量子光學(xué)(quantumoptics)是以量子力學(xué)的方法研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。量子光學(xué)的理論研究已經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì),早在1900年普朗克提出了輻射場的量子論,成功地解釋了黑體輻射問題,1905年,愛因斯坦把量子論貫穿整個(gè)輻射和吸收過程,提出的光量子理論,圓滿解釋了光電效應(yīng),并為后來的康普頓實(shí)驗(yàn)所證實(shí)；解釋了普朗克黑體輻射公式,提出了光與原子相互作用時(shí)發(fā)生的三種物理過程,自發(fā)輻射,受激輻射,受激吸收。這些研究為二十世紀(jì)六十年代激光的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。激光器能提供與普通熱光場有著本質(zhì)區(qū)別相干態(tài)光場為量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展開辟了新的

2、道路。到今天,量子光學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究分別獲得了驚人的成績和長足的發(fā)展,尤其是在非經(jīng)典光場的產(chǎn)生和應(yīng)用方面,是量子信息科學(xué)與技術(shù)的重要基礎(chǔ)與支撐。一般來說,非經(jīng)典光場擁有經(jīng)典光場所沒有的量子特性,例如表現(xiàn)在噪聲和統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)等方面。例如壓縮態(tài)、糾纏態(tài)光場。壓縮糾纏態(tài)光場的噪聲能突破經(jīng)典光所能達(dá)到的極限、擁有熱光場所沒有的量子關(guān)聯(lián),可廣泛應(yīng)用于引力波探測,量子保密通訊等許多方面,是量子光學(xué)量子信息領(lǐng)域最重要、最基本的量子資源,也是量子光學(xué)領(lǐng)域熱門的研究方向之一。近些年隨著量子光學(xué)與量子信息的發(fā)展,空間量子光學(xué)與量子信息也取得了一系列重要進(jìn)展?？臻g壓縮糾纏態(tài)光場能提供空間上的量子關(guān)聯(lián)特性,不同于一般

3、的基于TEM00模的糾纏態(tài)光場,僅僅是時(shí)間尺度上的量子糾纏。因此空間壓縮糾纏態(tài)光場在空間信息傳輸、超高精細(xì)度的測量、量子成像及圖像傳輸、量子全息術(shù)、無噪聲圖像放大等方面有重要的應(yīng)用前景。目前,壓縮糾纏態(tài)光場也是量子光學(xué)領(lǐng)域熱門的研究方向之一。本文主要理論上研究了利用雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏態(tài)光場；理論上設(shè)計(jì)構(gòu)造了周期極化晶體PPKTP產(chǎn)生銫原子吸收線和通訊波段的兩組份糾纏光；利用同時(shí)性準(zhǔn)相位匹配技術(shù)理論上實(shí)現(xiàn)含銣原子吸收線的三色糾纏；實(shí)驗(yàn)上使用簡并的光學(xué)參量放大器產(chǎn)生TEM00模和TEM01模壓縮態(tài)光場以及TEM01模糾纏態(tài)光場。主要內(nèi)容分為以下五個(gè)部分：1)簡要地從量子力學(xué)和量子光學(xué)的聯(lián)

4、系及各自的發(fā)展做了回顧。介紹了兩類非經(jīng)典光場,基于TEM00模的壓縮態(tài)和糾纏態(tài)光場和基于高階橫模的空間壓縮態(tài)和空間糾纏態(tài)光場,并介紹了上述光場的量子特性及應(yīng)用。2)對二階非線性材料的雙折射相位匹配和準(zhǔn)相位匹配做了簡要介紹,研究計(jì)算了實(shí)驗(yàn)中所用的532-1064nmPPKTP晶體準(zhǔn)相位匹配的周期結(jié)構(gòu)及F轉(zhuǎn)換波長與匹配溫度的關(guān)系；理論上從量子郎之萬方程出發(fā)計(jì)算了通過簡并的光學(xué)參量放大器產(chǎn)生的壓縮態(tài)光場的經(jīng)典和量子噪聲特性,簡要介紹了利用分束器耦合兩束正交振幅壓縮態(tài)光場產(chǎn)生糾纏態(tài)光場的方案。3)理論上研究了利用雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏態(tài)光場,給出了從腔的兩個(gè)輸出耦合鏡產(chǎn)生的兩束倍頻光的量子糾纏特

5、性以及兩束倍頻場和反射基頻場的三組分糾纏,分別使用vanLoock和Furusawa提出的連續(xù)變量三組分糾纏的不可分性充分判據(jù)和部分轉(zhuǎn)置矩陣的最小本征值判據(jù)分析了三個(gè)光場的糾纏特性。4)理論設(shè)計(jì)和構(gòu)造了單周期極化晶體PPKTP。550nm泵浦內(nèi)置PPKTP的光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生852.37nm和1550.42nm的雙色糾纏光,糾纏光的波長分別對應(yīng)銫原子吸收線和通訊波長；理論研究了利用兩個(gè)光學(xué)參量過程在同一周期中同時(shí)性準(zhǔn)相位匹配技術(shù)構(gòu)造周期極化晶體產(chǎn)生銣原子吸收線的多色三組份糾纏。介紹了在同-個(gè)周期內(nèi)如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的光學(xué)參量過程同時(shí)滿足準(zhǔn)相位匹配。5)從理論和實(shí)驗(yàn)上簡要介紹了高階厄米高斯橫模的產(chǎn)

6、生機(jī)理及實(shí)驗(yàn)上一般采用的產(chǎn)生方法。實(shí)驗(yàn)上利用光學(xué)參量放大器產(chǎn)生壓縮度為2.8dB的TEMoo模和2.2dB的TEM01模的壓縮態(tài)光場,實(shí)驗(yàn)上利用兩束TEMo1模的壓縮態(tài)光場通過分束器耦合產(chǎn)生TEM01模的糾纏光場,測得正交振幅之和噪聲低于散粒噪聲基準(zhǔn)1.5dB,正交位相之差低于散粒噪聲基準(zhǔn)1.2dB。攻讀博士期間所做的工作中,具有創(chuàng)新點(diǎn)的有以下幾部分：1.理論上提出通過雙端腔倍頻產(chǎn)生雙色三組分糾纏,并用部分轉(zhuǎn)置矩陣本征值方法對其進(jìn)行判定。2.理論上首次提出利用同時(shí)性準(zhǔn)相位匹配周期極化晶體產(chǎn)生原子吸收線的三色糾纏方案。3.實(shí)驗(yàn)上利用簡并的光學(xué)參量放大器(DOPA)制備TEM01模壓縮態(tài)光場并對其

7、Wigner函數(shù)進(jìn)行了重構(gòu)。4.實(shí)驗(yàn)上制備了TEM01模的糾纏態(tài)光場?！娟P(guān)鍵詞】：光學(xué)參量過程壓縮糾纏態(tài)準(zhǔn)相位匹配多色多組分糾纏高階橫?！緦W(xué)位授予單位】：山西大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2011【分類號】：O431.2【目錄】：摘要8-10ABSTRACT10-13第一章緒論13-301.1引言131.2壓縮態(tài)光場13-171.2.1壓縮特性13-161.2.2壓縮態(tài)光場的應(yīng)用16-171.3糾纏態(tài)光場17-191.3.1糾纏概念17-181.3.2連續(xù)變量EPR糾纏18-191.3.3連續(xù)變量多組份糾纏191.4空間壓縮和空間糾纏19-241.4.1空間壓縮211.4.2空間糾纏

8、21-231.4.3空間非經(jīng)典光的應(yīng)用及進(jìn)展23-24參考文獻(xiàn)24-30第二章非線性材料與壓縮糾纏態(tài)光場的產(chǎn)生30-502.1引言30-312.2雙折射晶體和準(zhǔn)相位匹配晶體31-342.3532-1064nmPPKTP晶體準(zhǔn)相位匹配的相關(guān)理論34-372.4光學(xué)參量過程產(chǎn)生壓縮態(tài)的理論研究37-452.5糾纏的產(chǎn)生45-462.6本章小結(jié)46-48參考文獻(xiàn)48-50第三章雙端腔倍頻產(chǎn)生連續(xù)變量雙色三組份糾纏光場理論研究50-723.1引言503.2雙端腔類倍頻產(chǎn)生倍頻光的噪聲特性50-603.2.1理論模型和傳輸矩陣方法50-583.2.2兩束倍頻光的EPR關(guān)聯(lián)和糾纏特性58-603.3雙端腔

9、類倍頻產(chǎn)生三組份光場的噪聲譜及三組分糾纏判定60-653.4實(shí)驗(yàn)可行性分析與設(shè)計(jì)65-673.5本章小結(jié)67-68參考文獻(xiàn)68-72第四章產(chǎn)生原子吸收線和光纖通訊波段多色糾纏光周期極化晶體的構(gòu)造設(shè)計(jì)72-864.1引言72-734.2理論構(gòu)造周期極化KTiOPO4晶體制備852和1550nm雙色糾纏光73-774.3理論構(gòu)造單周期同時(shí)性準(zhǔn)相位匹配周期極化晶體產(chǎn)生Rb吸收線三色糾纏光77-834.4本章小結(jié)83-84參考文獻(xiàn)84-86第五章TEM_(01)模壓縮態(tài)和糾纏態(tài)光場的實(shí)驗(yàn)研究86-1155.1引言86-885.2高階厄米高斯橫模的理論及實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生88-975.3TEM_(00/01)模壓縮光場實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生探測結(jié)果及TEM_(01)壓縮態(tài)重構(gòu)97-1045.3.1TEM_(00)模壓縮態(tài)光場產(chǎn)生、探測及結(jié)果97-1015.3.2TEM_(01)模壓縮態(tài)光場產(chǎn)生、探測及結(jié)果101-1045.4TEM_(01)模壓縮態(tài)重構(gòu)104-1095.5TEM_(01)模糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生及結(jié)果109-