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连续变量量子通讯的理论与实验研究

作　者: 荆杰泰
导　师: 谢常德；彭堃墀
学　校: 山西大学
专　业: 光学
关键词: 非简并光学参量放大器 纠缠态 贝尔态直接探测 密集编码 量子通讯 连续变量
分类号: TN911
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


量子信息是当今国际科学技术界的前沿研究课题，主要研究如何利用量子力学基本原理及量子态所特有的特性，如量子纠缠、压缩、态叠加等，完成信息处理、计算与传送。利用量子纠缠，通讯双方可以实现对一个量子态的高保真度远程传输，即量子离物传态；利用量子纠缠，通讯双方可以实现经典信息的高信道容量传输，即量子密集编码；甚至可以使原本不纠缠的量子系统产生纠缠，即纠缠交换。量子力学的诸多特性也应用到了保密通讯当中，可以从物理层面上达到真正意义的保密。为了研究量子网络，必需研究两个以上子系统之间的纠缠，即多粒子或多组份纠缠，利用它可以实现远程克隆（telecloning）、可控密集编码、共享秘密量子态以及减小通讯复杂性（reduction of the communication complexity）等。量子信息最早起源于研究单粒子分离变量系统，近期扩展到具有无限维希尔伯特空间的连续变量体系。连续变量量子通讯具有比特效率高等潜在优越性，所以引起了广泛的研究兴趣。但与分离变量相比，连续变量量子通讯的实验研究相对滞后。我们利用连续光场的正交分量量子纠缠特性，进行了连续变量量子密集编码，多组份纠缠态光场产生，受控密集编码量子通讯等实验与理论研究，主要内容如下： 1．利用非简并光学参量放大器从实验上产生了两种明亮EPR纠缠态光场。参量放大过程产生的纠缠光束具有正交振幅正关联、正交位相反关联的特性，乘积关联度为0.727±0.004＜1；改进光源后，利用参量反放大（deamplification）过程产生了正交振幅反关联、正交位相正关联的明亮EPR纠缠光束，乘积关联度达到0.332±0.003＜1。 2．利用明亮EPR光束和一种相对简洁的解码方式（Bell态直接探测），实现了无条件连续变量量子密集编码。证明了由纠缠态光场构成的量子通道可以提高经典调制信号的信道容量。我们实验所得密集编码的信道容量在光子数大于0.99、1.11及2.06时将分别超过相干态双零差通讯信道容量、相干态零差通讯的信道容量以及压缩态零差通讯的信道容量；最重要的是，当平均光子数（?）＞11.302时能够突破单通道通讯极限的Fock态通讯信道容量CFock。 3．利用运转于参量反放大状态的NOPA和偏振分束棱镜及半波片，从实验上产生了完全不可分的明亮三组份纠缠态光场，所产生的纠缠态具有三模正交振幅分量和与相对正交位相分量差的起伏方差低于散粒噪声极限的特性。实验测定的这两个起伏方差分 龙要别较散粒噪声极限降低3.28 dBm和3.18 dBm。完全不可分判据中三个不等式左边的值分别为1.90，1.83和2.94，全部小于归一化后的散离噪声极限4。利用所得的三组份纠缠态构建了连续变量量子通讯网络，实现了双方通讯信道容量受控于第三方的可控密集编码实验。当平均光子数万=11时，Claire可以控制Alice和Bob之间通讯的信道容量在2.91和3.14之间变换。 4.从理论上提出了利用两个运转于参量反放大状态的NOPA产生四组份纠缠态的方案。基于所得的四组份纠缠态，我们也提出了一种连续变量量子密集编码通讯网络。四个参与者共享四组份纠缠态，并且分为两组，每一小组内的两个参与者之间进行量子通讯，在另一组的帮助下，他们之间通讯的信噪比可以得到改善，从而可以提高通讯的信道容量。这个现象充分展现了四模之间的量子非局域关联。 5.理论上提出了一种新的量子通信方案，三组份纠缠交换，利用它可以使得三个原本没有关联的光学模在没有任何直接相互作用的情况下产生纠缠，并利用保真度判据从理论上证明了所得的三个光学模确实处于纠缠态。 所完成的具有创新性的工作如下: A:在实验上实现了无条件连续变量量子密集编码; B:在实验上得到了具有完全不可分性的连续变量三组份纠缠态; c:在实验上利用三组份纠缠态实现了可控密集编码; D:提出了利用两个运转于参量反放大状态的非简并光学参量放大器获得四组份纠 缠态光场的实验方案，并设计了互可控密集编码量子通讯网络; E:提出了多组份纠缠交换的实验方案，并计算了保真度的参量依赖关系。

全文目录


提要  5-7
Abstract  7-12
第一章 绪论  12-35
  1.1 引言  12
  1.2 纠缠  12-20
    1.2.1 纠缠  12-14
    1.2.2 连续变量EPR纠缠态  14-19
    1.2.3 连续变量多组份纠缠态  19-20
  1.3 量子信息的研究进展  20-29
    1.3.1 量子密集编码和量子离物传态  22-26
    1.3.2 量子密码术  26-27
    1.3.3 量子纠缠交换  27-28
    1.3.4 基于多组份纠缠态的协议  28-29
  1.4 本文的主要工作  29
  参考文献  29-35
第二章 NOPA腔产生纠缠态光场的理论与实验研究  35-57
  2.1 引言  35-37
  2.2 NOPA腔产生纠缠态光场的理论模型  37-39
  2.3 连续变量EPR纠缠测量的两种方法  39-45
    2.3.1 利用平衡零拍探测系统进行EPR关联测量的方  39-41
    2.3.2 Bell态直接测量方法  41-45
  2.4 实验研究  45-55
    2.4.1 实验装置  45-50
    2.4.2 实验过程及结果  50-55
  2.5 小结  55
  参考文献  55-57
第三章 连续变量量子密集编码的实验研究  57-74
  3.1 引言  57
  3.2 基本原理  57-69
    3.2.1 几种通讯系统的信道容量  57-61
    3.2.2 实现无条件密集编码  61-63
    3.2.3 密集编码实验方案  63-69
  3.3 实验装置  69-70
  3.4 结论与讨论  70-72
  3.5 小结  72-73
  参考文献  73-74
第四章 三组份纠缠态光场产生的理论、实验与应用研究  74-95
  4.1 引言  74
  4.2 三组份纠缠态光场产生的理论  74-82
    4.2.1 单模压缩态方案  74-78
    4.2.2 双模压缩态方案  78-82
  4.3 三组份纠缠态的充分判据  82-84
  4.4 实验研究  84-91
    4.4.1 基于单模压缩态的实验  85-86
    4.4.2 基于双模压缩态的实验  86-91
  4.5 三组份纠缠态在量子信息中的应用研究  91-93
  4.6 小结  93-94
  参考文献  94-95
第五章 四组份纠缠态光场产生与应用的理论研究  95-110
  5.1 引言  95-96
  5.2 理论研究  96-100
  5.3 四组份纠缠态在量子信息中的应用研究  100-108
  5.4 小结  108-109
  参考文献  109-110
第六章 多组份纠缠态的纠缠交换  110-119
  6.1 引言  110
  6.2 理论研究  110-117
  6.3 小结  117
  参考文献  117-119
第七章 总结  119-121
致谢  121-122
声明  122-123
攻读博士学位期间发表论文及获奖情况  123-124

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论
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