明亮压缩态光场的操控及量子层析

连续变量量子态的制备与操控是进行量子通信、量子密钥分发以及量子网络构建的重要基础.本文基于二阶非线性过程,利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的简并光学参量放大腔,在实验上实现了1064 nm波段明亮压缩态光场的制备,所制备的明亮压缩态光场在泵浦光功率为310 mW、分析频率为3 MHz处的压缩度为-11.6 dB.当注入50 mW泵浦光时,实现了压缩度为-6 dB,纯度为98.5%的压缩态光场;在此基础上,利用光电调制器进行明亮压缩态光场的线性光学操控,并基于平衡零拍探测系统的直流信号准确判断压缩态光场时域信号对应的相位,之后结合极大似然估计算法实现压缩态的量子层析,得到量子态的密度矩阵及相空间的Wigner函数,从而获得量子态的光子数分布等全部信息.

1.5μm光通信波段明亮压缩态光场的产生及其Wigner函数的重构

1.5μm光通信波段非经典光场在光纤中有着极低的传输损耗,因而是基于光纤的实用化连续变量量子信息研究的重要资源.本文利用周期极化磷酸氧钛晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器,实验获得了连续变量1.5μm光通信波段的明亮压缩态光场.光学参量放大器的阈值功率为230 mW.当780 nm抽运光场功率为110 mW,1.5μm注入信号光场功率为3 mW时,连续变量1.5μm明亮正交位相压缩态光场的压缩度达4.7 dB.进而利用时域零拍探测系统测量压缩态,采用量子层析技术重构了该明亮正交位相压缩态光场的Wigner准概率分布函数.

1064 nm高功率明亮压缩态光场制备实验中绿光诱导红外吸收效应

通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先,通过优化实验系统工作参数,提升反馈控制回路的锁定稳定性,当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时,在分析频率为3 MHz处,获得光功率为200μW、压缩度为(-10.7±0.2)dB的明亮压缩态光场。然后,根据实验数据,定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗,发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为(9±0.05)%,其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为(5.8±0.05)%,占总光学损耗的(64.4±0.05)%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为(6.0±0.05)×10^(-2)cm^(-1)。当泵浦光单独注入光学参量放大器时,周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10^(-4)cm^(-1)。由此可知,当高功率种子光注入光学参量放大器时,绿光诱导红外吸收效应使周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收系数增加了285倍,使内腔损耗成为高功率明亮压缩态光场压缩度的主要影响因素。

1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备中的热透镜效应

本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中,高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型,定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时,周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型,理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下,重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率,在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下,在分析频率3 MHz处,直接测得光功率为200μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB,表明在本文实验系统中,高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。

优化连续变量量子隐形传态的保真度

利用双模压缩真空态作为纠缠通道传送相干态的保真度已有结论,研究了明亮双模压缩态作为纠缠通道时连续变量的量子隐形传态,适当选取有关参数,可较大地提高量子隐形传态的保真度,并在特殊情况下实现相干态的保真度为1的不失真量子隐形传态。