【摘 要】
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远距离量子纠缠的分发是目前量子通信所面临的主要挑战之一,它的实现对构建全球化的量子网络来说至关重要。光子是我们最常用的编码量子信息的载体,但是光子在光纤中不可避免的损耗使得纠缠分发难以在数百公里以外的距离上实现。幸运的是,量子中继方案提供了一种在远距离节点之间建立纠缠的手段,为构建量子网络开辟了道路。其基本原理是:远距离的量子通信链路被切分成数个短距离的基本链路,首先建立基本链路内节点的纠缠,然后
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远距离量子纠缠的分发是目前量子通信所面临的主要挑战之一,它的实现对构建全球化的量子网络来说至关重要。光子是我们最常用的编码量子信息的载体,但是光子在光纤中不可避免的损耗使得纠缠分发难以在数百公里以外的距离上实现。幸运的是,量子中继方案提供了一种在远距离节点之间建立纠缠的手段,为构建量子网络开辟了道路。其基本原理是:远距离的量子通信链路被切分成数个短距离的基本链路,首先建立基本链路内节点的纠缠,然后在相邻链路之间通过纠缠交换操作传递纠缠,直到纠缠分发到两个远距离目标节点。其中量子纠缠光源和量子存储器是量子中继方案中的两个核心部分。本论文的目标是面向量子中继的应用,研究匹配吸收型固态量子存储器的量子纠缠光源。主要的成果包括:利用纠缠交换产生可预报纠缠光子;对接固态量子存储器演示多模式量子中继基本链路;研究匹配固态量子存储器的确定性纠缠光源。研究这些量子纠缠光源是向着超远距离纠缠的建立以及大规模量子网络迈出的重要一步。本人在研究生期间完成的主要研究工作如下:1.窄带纠缠光源的纠缠交换纠缠交换是量子中继方案中必不可少的技术。我们基于自发参量下转换过程,通过PPKTP波导产生高亮度光子对,利用后选择的方式产生偏振纠缠,然后通过直接滤波的方式压窄光源的线宽至1 GHz,匹配基于Nd离子掺杂晶体的固态量子存储器。实验完成了两个纠缠光子对的纠缠交换,预报纠缠的保真度达到82.6%,同时我们测量了 CHSH型贝尔不等式,实现了超3个标准差的违背。最终实现的预报纠缠速率比前人的工作高出两个数量级,为结合量子存储器演示量子中继方案提供了可能性。2.基于吸收型量子存储器的量子中继链路的演示目前量子中继链路的演示都是基于发射型存储器的,不能兼容多模式存储和确定性纠缠产生。基于吸收型量子存储器的量子中继方案可以解决这一问题。这里我们基于吸收型量子存储器和外置纠缠光源,首次实现了两个相距3.5米的量子中继节点之间的可预报纠缠。基于Nd离子的固态量子存储器可以同时实现四个时间模式的存储,并且其综合性能指标达到了目前宽带固态量子存储器的最优水平。该工作证实了基于吸收型量子存储器构建量子中继的可行性,并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。这种吸收型量子存储器能同时兼容确定性纠缠光源和多模式量子存储,为实用化高速量子网络的构建打下坚实的基础。3.基于量子点的确定性纠缠光源的产生与调控基于量子点发光原则上可以实现确定性的光子发射。量子点光源没有多光子噪声,在量子中继的应用中具有非常大的优势。本文在InAs的量子点样品中通过双光子共振激发的方式获得偏振纠缠光子对,并利用六脚压电装置实现了精细能级劈裂和波长的可调谐。纠缠光源的波长在980 nm附近,有望与基于Yb离子掺杂晶体的宽带多模式量子存储器对接。同时我们初步研究了基于Yb离子掺杂晶体的光谱性质和存储性质,为实现确定性纠缠光源的多模式存储打下基础。本论文的创新点如下:1.实验实现了高亮度窄带纠缠光源的纠缠交换,亮度比前人工作高出两个数量级,且波长和线宽匹配固态量子存储器;2.实验结合外置纠缠光源和固态量子存储器,首次演示了基于吸收型固态量子存储器的多模式量子中继链路,推动了量子中继网络的实用化发展;3.实验研究了匹配固态量子存储器的量子点纠缠光源,研究了基于双光子激发的纠缠产生,并通过施加应力实现对量子点精细能级劈裂和辐射波长的调控。
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