一类超聚束光场量子态的减光子操纵

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许多量子协议的一个关键要求是使用特定的光量子态作为信息处理的资源,因此研究各类光场量子态具有重要的意义。量子态可分为高斯态和非高斯态。虽然高斯态的实验可行性使高斯量子信息处理取得了巨大成功,应用在很多任务中,但是如果仅限于高斯态,许多重要的量子增强信息处理协议得不到执行,如量子纠错、量子照明和相干态的最佳克隆等。因此,对实验量子光学来说,制备高质量的非高斯量子态的意义重大。一种相对简单的引入非高斯性的方法是利用测量诱导,通常是概率性的方法,如减光子数,被证实它可以增强纠缠和隐形传态保真度。本文首先通过重复操作光子湮灭算符m次构造了减去任意光子数量的压缩相干态,即减光子压缩相干态,并理论推导出这个态的归一化系数和二阶光子关联函数,数值模拟得到此态的二阶光子关联与压缩因子、扣除光子数和相干分量的关系。随后将结论推广到本文主要关注的减光子压缩真空态。单模压缩真空态是一种典型的超聚束光场态,但是通过计算得到压缩真空态光场在扣除一定数量的光子后,其超聚束效应仅在减去光子数为偶数且压缩幅r值很小范围内保留,而且在扣除光子数量为奇数且压缩参数r值较小时,光场呈现出反聚束效应,这是光的非经典特性。在得到理论上减光子压缩真空态的二阶关联函数的基础上,我们提出了一种能够在实验室环境下制备得到上述光场的实验方案并利用HBT装置测量该制备光场的二阶关联函数。第一步,泵浦二阶非线性极化率为χ2的非线性晶体通过简并参量放大过程制备本文所要操纵的超聚束光场——压缩真空态光场,数值模拟得到该光场的二阶光子关联与其理论值,得出利用此方法制备压缩真空态光场最大理论压缩参数可达到1.7。第二步,输入第一步制备的压缩真空态,通过无损分束器与光子数可分辨探测器条件测量制备得到减光子压缩真空态,数值模拟得到该制备的光场态的二阶光子关联、平均光子数和光子数涨落与输出参考通道中检测到的光子数、用于条件测量的分束器的透射率(或反射率)以及实验压缩参数的关系。第三步,基于HBT实验测量第二步制备的光场态的二阶光子关联,与通过二阶关联函数定义计算所得的第二步制备的光场态二阶关联对比得出减光子压缩真空光场的二阶光子关联的测量需要综合考虑背景噪声、扣除光子数、压缩参数和探测系统效率等因素的影响。我们希望,本文的工作能够为相关的实验工作者提供一些理论指导。
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