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基于光子晶体光纤的高纯度量子关联光子对的制备

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物理学报 2012年第5期61卷 183-187页

作者：崔亮李小英李璐天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室天津300072

使用脉冲光在室温下抽运一根长1 m的高非线性光子晶体光纤,产生了中心波长分别位于830 nm和1411 nm的具有量子关联性的闲频与信号光子.实验中闲频和信号通道的带宽分别是15 nm和35 nm.对单通道光子计数率的拟合结果显示光子几乎全部来... 详细信息

使用脉冲光在室温下抽运一根长1 m的高非线性光子晶体光纤,产生了中心波长分别位于830 nm和1411 nm的具有量子关联性的闲频与信号光子.实验中闲频和信号通道的带宽分别是15 nm和35 nm.对单通道光子计数率的拟合结果显示光子几乎全部来源于光纤中的自发四波混频过程,未受到Raman散射噪声的影响.当闲频和信号通道的光子产生率约为每脉冲0.0085个时,测得符合计数率与随机符合计数率的比值为102,接近理论极限,不仅证明了光子对的低噪声性,而且表明所产生的光子对本身具有窄带频谱特性,因而实验中对其收集效率很高.此外,这种高纯度关联光子对还联接了不同波段,在量子信息技术中有着潜在的应用.

关键词：量子关联光子对光子晶体光纤自发四波混频

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冷原子系综中量子关联光子对的产生

量子光学学报 2016年第3期22卷 235-240页

作者：原浩翔葛伟田龙李淑静徐忠孝王海山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006

本文在87 Rb冷原子系综中通过自发拉曼散射过程进行了量子关联光子对产生的实验研究,测量了关联光子对的产生率和二阶关联函数g(2)随写光激发率、读光功率以及写光失谐等实验参数的关系曲线。结果表明:随着写光激发率的增加,光子对产生... 详细信息

本文在87 Rb冷原子系综中通过自发拉曼散射过程进行了量子关联光子对产生的实验研究,测量了关联光子对的产生率和二阶关联函数g(2)随写光激发率、读光功率以及写光失谐等实验参数的关系曲线。结果表明:随着写光激发率的增加,光子对产生率线性增加,g(2)则不断减小;在小的读光功率处,光子对产生率和g(2)随着读光功率增加而增大,当读光功率超过30 mW后,产生率和g(2)随着读光功率增加反而有所下降;写光频率失谐为-5 MHz时光子对产生率和g(2)均达到最低,增大或减小写光失谐产生率和g(2)均逐渐增加。通过选取合适的实验参数,光子对产生率达到18对/秒,同时g(2)为106。本文的研究结果为产生高质量的纠缠源提供了实验基础。

关键词：冷原子系综自发拉曼散射量子关联光子对二阶关联函数

基于零色散位移光纤的量子关联光子对特性的理论分析

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基于零色散位移光纤的量子关联光子对特性的理论分析

作者：马晓欣天津大学

学位级别：硕士

量子关联光子对是实现量子信息处理、揭示量子力学定律的核心和基础。基于光纤的量子关联光子对具有高效便捷、易于操控的优点,是推进量子信息技术工程化和进行基础研究的关键。要使产生的关联光子对适用于各种量子系统,首先要了解和研... 详细信息

量子关联光子对是实现量子信息处理、揭示量子力学定律的核心和基础。基于光纤的量子关联光子对具有高效便捷、易于操控的优点,是推进量子信息技术工程化和进行基础研究的关键。要使产生的关联光子对适用于各种量子系统,首先要了解和研究其特性。本文在理论上深入分析了脉冲光泵浦零色散位移光纤产生的关联光子对的频谱特性和纯度。主要内容如下:1.介绍了光纤中四波混频的经典和量子理论。解耦合波动方程求出经典四波混频增益的表达式,并且指出只有在位相匹配条件下才能得到较大增益。在四波混频量子理论中从相互作用哈密顿量入手,通过一阶微扰理论求出态矢量的表达式。基于态函数,进一步推导出单光子计数率和符合计数率,为研究关联光子对特性做铺垫。2.对利用脉冲光泵浦零色散位移光纤产生的关联光子对的特性进行分析。一方面研究了其频谱特性,分析各个实验参数对关联光子对频谱特性的影响。另一方面由理论推导得到的单光子计数率和符合计数率公式,结合实验中得到的经验公式,对关联光子对的纯度特性进行分析,为优化实验参数,提高关联光子对纯度做指导。3.将频谱函数推广到光子晶体光纤,并对关联光子对在工程上的应用提出初步方案。

关键词：量子关联光子对零色散位移光纤四波混频

少模光纤模间四波混频产生量子关联光子对的频谱特性研究

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少模光纤模间四波混频产生量子关联光子对的频谱特性研究

作者：朱胜杰天津大学

学位级别：硕士

空间模式作为光场一个独立的自由度,在量子信息中具有重要应用;利用高维空间模式复用技术,可实现扩充量子信道容量、提升量子测量精度等任务。因此,高维空间模式量子态的制备就成为一个重要的研究课题。少模光纤中的线性偏振(LP)模构成... 详细信息

空间模式作为光场一个独立的自由度,在量子信息中具有重要应用;利用高维空间模式复用技术,可实现扩充量子信道容量、提升量子测量精度等任务。因此,高维空间模式量子态的制备就成为一个重要的研究课题。少模光纤中的线性偏振(LP)模构成了空间模式的一组正交基,且可在光纤中低损耗传输。利用少模光纤作为非线性介质,通过脉冲泵浦的模间四波混频过程,可以直接产生具有不同空间模式的量子关联光子对,满足量子信息应用对于光学量子态的需求。另一方面,不同的量子信息应用通常要求量子关联光子对中信号和闲频光子间具有特定的频谱关联特性,因此量子关联光子对的频谱特性是其重要特征之一。目前,针对少模光纤中所产生量子关联光子对的频谱特性研究尚需进一步开展。尤其是对于少模光纤中模间四波混频过程所产生的通讯波段量子关联光子对,其频谱特性的直接实验测量尚未见报道。本论文基于一种在1550 nm通讯波段可支持LP和LP两个空间模式群组的少模光纤,围绕模间四波混频过程所产生量子关联光子对的频谱特性,开展相应的理论与实验研究。论文完成的主要工作包括:1.理论分析了所使用少模光纤中的相位共轭型模间四波混频过程,通过考察相位匹配、泵浦参数等情况,研究了泵浦带宽、光纤长度等因素对量子关联光子对频谱的影响。2.搭建了针对不同空间模式量子关联光子对的频谱测量装置,包括适用于少模光纤的空间模式复用和解复用装置、可对量子关联光子对进行有效提取的高隔离度扫描滤波装置,以及相应的光子探测和数据采集装置等。3.利用所搭建的装置,测量了少模光纤中产生的、空间模式分别为LP和LP的通讯波段信号和闲频关联光子对的频谱特性。在不同泵浦带宽条件下,所获得的测量结果与理论分析相符。

关键词：量子关联光子对频谱特性少模光纤模间四波混频空间模式复用

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冷原子系综中量子关联光子对的实验研究

冷原子系综中量子关联光子对的实验研究

作者：原浩翔山西大学

学位级别：硕士

量子信息处理科学作为一门交叉学科,不仅结合了量子力学以及量子通讯的相关原理,还包含了量子计算和量子保密通信等方面的内容。量子关联光子对作为量子信息处理的关键要素,其产生的方式主要有通过冷原子系综的自发拉曼散射过程（SRS即S... 详细信息

量子信息处理科学作为一门交叉学科,不仅结合了量子力学以及量子通讯的相关原理,还包含了量子计算和量子保密通信等方面的内容。量子关联光子对作为量子信息处理的关键要素,其产生的方式主要有通过冷原子系综的自发拉曼散射过程（SRS即Spontaneous Raman Scattering）产生量子关联光子对和利用非线性晶体的非线性过程这两种常用的方式。虽然利用冷原子系综产生量子关联光子对的方法较为复杂,但是光子对的线宽窄,可以很好的实现与原子的耦合;而基于非线性过程产生光子对的带宽较宽,不利于很好的实现与原子系综的匹配。2001年由Duan等人提出了DLCZ方案（即Duan,Lukin,Cirac,Zoller共同提出的方案）,在该方案中通过拉曼散射的写过程将信号写入原子系综中,激发出一个光子（即Stokes光子）的同时一个自旋激发将被存储于原子系综中,经过一段时间的存储,通过读光脉冲的读过程,读出存储于原子系综中的自旋激发并同时产生一个光子（即Anti-Stokes光子）,在此期间所产生的Stokes光子与Anti-Stokes光子存在偏振关联特性。Lukin小组和Kimble小组分别利用这种产生的关联光子对的方法,产生了纠缠光源。在利用SRS过程产生两个及以上光子与原子系综之间纠缠的基础上,通过纠缠交换就可以建立两个及以上分离原子系综的量子纠缠,进而可以进行量子网络的相关研究。本文利用原子系综中的自发拉曼散射过程产生量子关联光子对,研究了写光和读光等参数对关联光子对的产生率及二阶关联函数g（2）的影响。通过改变实验参数进而得到关于产生率和g（2）关于读写光变化的关系曲线。在现有实验基础上找到了最适合于产生关联光子对的条件。并且通过改进了实验测量的程序,进一步验证了所产生光子对的单光子特性。本文主要内容有:（1）首先介绍了原子系综制备的基本原理、自发拉曼散射过程等概念,并简述了基于冷原子系综中的量子中继方案,接着对光子的偏振态的几种描述方法进行了描述。（2）介绍了关联光子对的关联函数及应用,并且就所产生的光子对的单光子特性进行了验证。最后描述了偏振关联光子对的Bell不等式和保真度的计算方法。（3）在DLCZ方案的基础上,利用87Rb的冷原子系综中的自发拉曼过程产生了量子关联光子对,研究得到了关于量子关联光子对产生的最佳的实验参数,包括读光、写光及写光失谐等。在写光激发率为1%,写光频率正失谐为+20MHz,读光为30mW时,光子对的产生率达到了18对每秒。我们改进了实验的符合测量程序,通过改变读写光的触发机制,并且采用了双线程的方式进行逻辑判断,使得关联光子对的产生率得到了进一步的提高。通过改变写光的激发率,测量了反斯托克斯光子的单光子特性,在写光激发率为1.55%的时候,测得其单光子特性参数?为0.245,表现出了很强的单光子特性。为了保证所收集的光子的经由光纤后偏振不发生改变,我们采用了波片组对其偏振进行补偿。为了优化读光的模式,我们组装并调试了一个模式清洁器,利用PDH方法进行锁定,锁定后的腔透射率达到50%,对读光的模式进行了很好地过滤。最后,总结实验中产生关联光子对以及测量反斯托克斯的单光子特性的实验结果,对于进一步产生纠缠光子对以及基于原子系综的量子中继提供实验基础。

关键词：冷原子系综自发拉曼散射量子关联光子对二阶关联函数

基于量子关联技术的宽带中红外单光子上转换光谱研究

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基于量子关联技术的宽带中红外单光子上转换光谱研究

作者：蔡羽洁华东师范大学

学位级别：硕士

在多领域需求的驱动下,中红外光谱探测技术已成为近年来国际上的一大研究热点,作为核心技术在生物应用、生化反应、环境监测、材料分析、临床医学等方面逐渐突显其重要应用价值。实现中红外波段单光子水平下的高灵敏宽频带光谱测量,是... 详细信息

在多领域需求的驱动下,中红外光谱探测技术已成为近年来国际上的一大研究热点,作为核心技术在生物应用、生化反应、环境监测、材料分析、临床医学等方面逐渐突显其重要应用价值。实现中红外波段单光子水平下的高灵敏宽频带光谱测量,是红外技术的前沿领域之一。本论文将宽频带中红外光谱测量灵敏度推进到单光子水平,发展了基于宽带频率转换的中红外量子关联光谱新技术。实验获得主要成果如下:(1)实现高效的宽频带中红外频率上转换技术。基于啁啾周期极化的非线性铌酸锂晶体(CPLN),设计了线性变化的极化周期配置,模拟仿真了不同频率下的准相位匹配过程,理论计算了群速度色散引起的走离。基于30 MHz重复频率的同步脉冲泵浦技术,非线性频率上转换过程将携带光谱信息的2.45～3.85μm中红外光子转换到近红外波段,中红外光谱带宽为1.4μm,退卷积后的光谱分辨率为4 cm,拓展了发展成熟的近红外波段单光子探测器的应用优势,有效规避了现有中红外探测器的不足。光谱探测系统的探测噪声小于每像素元素每秒10计数。(2)搭建中红外量子关联光谱技术实验平台。为进一步提升中红外上转换光谱的灵敏度,利用自发参量下转换技术产生基于CPLN晶体的宽带关联光子对光源。具有6.76×10 counts?s?m W高光子对产生率的关联光子对源不仅覆盖中红外宽波段,同时提供非经典相关性,提升了光谱探测鲁棒性。中红外信号光子覆盖3.14～3.80μm中红外波段,提供了大于660 nm的光谱探测波长窗口。基于量子关联的超灵敏中红外频率上转换技术,保证了光谱仪等光学元件工作在远离中红外的更优工作波段,将中红外光谱探测灵敏度提升至每脉冲0.09光子。(3)发展非局域时间拉伸中红外上转换光谱方案。方案使用单像素探测器获得中红外单光子光谱,免除了对光栅角度的机械调谐。基于10 km单模光纤中的群速度色散以及光子对的时频量子关联性,将中红外频率上转换光谱非局域映射至时间域,实现了2.76～3.94μm中红外波长范围的超灵敏、宽频带、高分辨率的快速中红外光谱测量,在每脉冲0.21中红外光子通量的条件下,缩短了符合测量总曝光时间,在30分钟内实现了28.3 d B的平均信噪比。样品透射光谱测量结果与0.5 cm光谱分辨率的傅里叶变换红外光谱仪测量结果吻合良好。综上,本论文实现了宽频带、低功耗、强鲁棒性的高灵敏中红外单光子光谱探测,实验证实了基于频率上转换的中红外光谱技术是一种有效的中红外直接光谱探测的替代方案。该中红外光谱灵敏检测系统未来有望应用于材料、医疗等前沿领域。

关键词：中红外光谱探测单光子频率上转换同步脉冲泵浦量子关联光子对时间拉伸技术

全光纤关联光子对标定通讯波段单光子探测器量子效率的实验研究

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全光纤关联光子对标定通讯波段单光子探测器量子效率的实验研究

作者：全立梅天津大学

学位级别：硕士

单光子探测器在计量技术领域,科学实验及光电检测领域,尤其是在未来的量子通信领域有着重要的应用,它已经成为各国光电子学界重点研究的课题。量子效率作为单光子探测器的一个重要参数,如何对其进行精确标定就成为一个具有重要意义的研... 详细信息

单光子探测器在计量技术领域,科学实验及光电检测领域,尤其是在未来的量子通信领域有着重要的应用,它已经成为各国光电子学界重点研究的课题。量子效率作为单光子探测器的一个重要参数,如何对其进行精确标定就成为一个具有重要意义的研究课题。传统的标定方法需要一个参考标准,即标准的光源或精度更高的标准探测器,这限制了标定的复现性和精度的有效提高。20世纪80年代,研究者提出一种不借助任何参考标准也不涉及单光子探测器其它指标的绝对标定方法,就是利用量子关联光子对的关联特性来进行标定。目前,单光子探测器量子效率标定实验中使用的都是晶体参量下转换过程产生的关联光子对,但是这种关联光子对在标定过程中有许多不足之处。与之相比,近年来出现的基于光纤四波混频过程产生的关联光子对就具有很大优势。因此,本研究小组提出利用光纤四波混频产生的关联光子对来对单光子探测器的量子效率进行标定,这种方法具有提高测量结果的精确度及实际应用的潜力。本论文首先阐明了单光子探测器量子效率标定在单光子探测中的意义,然后介绍了利用量子关联光子对标定单光子探测器量子效率的方法,同时指出了利用晶体产生的关联光子对进行标定实验的不足之处,然后,详细阐述了基于光纤产生的关联光子对绝对标定单光子探测器的理论原理。最后介绍了实验装置与实验过程,并对实验结果进行了分析。在综合考虑传输效率及各种损耗后,测得探测器对1550nm通讯波段的光的量子效率约为13.74%,论文中还对影响实验的拉曼光子和单通道带宽进行了比较分析。

关键词：量子关联光子对色散位移光纤单光子探测器标定量子效率