雋若瑜

【摘要】 近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)非經(jīng)典光場(chǎng)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。作為量子信息與量子計(jì)算過程中極為重要的組成部分，非經(jīng)典光場(chǎng)一方面能夠促進(jìn)信息與通訊領(lǐng)域工作的順利完成，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)量子態(tài)的操作、控制。本次研究將著重對(duì)連續(xù)變量多組份糾纏態(tài)光場(chǎng)進(jìn)行深入分析，并在此基礎(chǔ)上探究了連續(xù)變量量子通訊網(wǎng)絡(luò)及光場(chǎng)控制，為相關(guān)行業(yè)提供有效的參考?！娟P(guān)鍵詞】 連續(xù)變量 糾纏態(tài) 量子態(tài) 光學(xué)控制

隨著我國(guó)社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，我國(guó)的量子信息科學(xué)應(yīng)用技術(shù)得到了卓有成就的發(fā)展，多組份量子糾纏態(tài)的重要性更加凸顯，其能夠?yàn)榱孔佑?jì)算與量子網(wǎng)絡(luò)通訊提供必要的技術(shù)支持，當(dāng)前，我國(guó)量子學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種類型的多組份量子糾纏態(tài)，其具備多種不同物理結(jié)構(gòu)，因此對(duì)連續(xù)變量量子態(tài)的光學(xué)控制分析有著重要的實(shí)踐意義與應(yīng)用價(jià)值。

一、基于6.0dB連續(xù)變量EPR下糾纏態(tài)光場(chǎng)的產(chǎn)生

經(jīng)過多次試驗(yàn)研究表明，光學(xué)參變放大器能夠作為提升糾纏態(tài)光場(chǎng)的最佳選擇，學(xué)者Qu對(duì)閾值下的NOPA輸出的下轉(zhuǎn)換真空模進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示其呈現(xiàn)出明顯的EPR量子關(guān)聯(lián)特性。另外為增強(qiáng)明亮EPR光束的實(shí)用性，我國(guó)學(xué)者還對(duì)注入場(chǎng)不為0狀態(tài)下的NOPA輸出場(chǎng)特性進(jìn)行了深入分析，并在參變放大與反放大的作用下最終獲得了振幅正關(guān)聯(lián)與反關(guān)聯(lián)情況。在EPR糾纏態(tài)光束測(cè)量過程中往往會(huì)產(chǎn)生正交振幅以及相對(duì)應(yīng)的噪聲功率譜，具體見圖1，同時(shí)采用兩臺(tái)譜儀對(duì)2MHz位置頻率的量子噪聲極限（QNL）進(jìn)行測(cè)量，曲線1表示的是QNL，正交振幅反關(guān)聯(lián)與正交相位正關(guān)聯(lián)均低于其所對(duì)應(yīng)的QNL（6.08±0.18）dB以及（6.22±0.16）dB，并由此得出量子關(guān)聯(lián)起伏的實(shí)際數(shù)據(jù)為〈δ（Xa+Xb）〉=（7.30±0.18）dB，〈δ（Xa-Xb）〉=（7.50±0.16）dB，根據(jù)上述可知EPR糾纏態(tài)光束能夠滿足〈δ（Xa+Xb）〉+〈δ（Xa-Xb）〉=0.463<2的不可分判據(jù)條件。

二、線性光學(xué)控制連續(xù)變量多組份糾纏態(tài)光場(chǎng)

作為實(shí)現(xiàn)連續(xù)變量量子信息網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算的重要資源，多組份糾纏態(tài)與ERP糾纏態(tài)往往是相對(duì)而言的，單純從實(shí)驗(yàn)方面來看已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四光子Cluster、五光子GHZ偏振、六光子GHZ以及Cluster糾纏態(tài)，其在連續(xù)變量方面也取得了鮮明的成效，不僅能夠借助光學(xué)分束器實(shí)現(xiàn)對(duì)單模壓縮態(tài)光場(chǎng)的有效控制，獲得多個(gè)連續(xù)變量多組份糾纏態(tài)，而且還能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到量子離物傳送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及量子通訊中[1]。有學(xué)者建立了正交壓縮態(tài)光場(chǎng)連續(xù)變量四組份糾纏態(tài)光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并獲取了Cluster與GHZ糾纏態(tài)，結(jié)果符合連續(xù)變量多組份糾纏的不可分判據(jù)要求。同年還提出了與GHZ態(tài)、Cluster態(tài)明顯不同的新型四組份糾纏態(tài)，截至目前尚未形成與之對(duì)應(yīng)的量子比特表達(dá)式，且每個(gè)糾纏判據(jù)不等式分別包含了三組分正交振幅與正交相位組合，又可以將其稱為是連續(xù)變量TTPC糾纏態(tài)，其具體結(jié)構(gòu)見圖2。

三、TTPV糾纏態(tài)光場(chǎng)下的量子通訊網(wǎng)絡(luò)

通常，在信息傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)典信息往往是以0或1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式得以呈現(xiàn)，若想使得2bit信息能夠順利傳遞，必須確保通訊雙方能夠達(dá)到兩次以上信息的傳遞。近年來，科學(xué)界提出了量子信息的概念，學(xué)者開始致力于通過量子力學(xué)提升傳輸信道容量的研究，并取得了一定的研究成果[2]。學(xué)者Bennet所提出的糾纏粒子理念不僅打破了傳統(tǒng)經(jīng)典限制，而且在一定程度上提升了量子密集編碼，其主要是通過對(duì)糾纏系統(tǒng)子系統(tǒng)的控制達(dá)到對(duì)2bit信息的有效傳遞。學(xué)者M(jìn)attle最早實(shí)現(xiàn)分離變量的量子密集編碼，并逐漸將其應(yīng)用到連續(xù)變量領(lǐng)域中。我國(guó)山西大學(xué)光電研究所針對(duì)這一問題進(jìn)行了EPR糾纏光束實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在通訊過程中采用量子密集編碼能夠極大提升信道容量，進(jìn)而使信息傳輸效率得到提升。本次研究構(gòu)建了TTPC糾纏態(tài)下的四站量子密集編碼通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將b1、b2、b3、b4四個(gè)子模分別分發(fā)到與之相距較遠(yuǎn)的Alice、Bob、Claire以及Daisy四個(gè)通訊用戶中，其相鄰用戶的通訊情況見圖3。Alice能夠利用振幅調(diào)制器以及相位調(diào)制器將所要傳遞的信息調(diào)制于其子模b1上，然后再發(fā)送到Bob，為了有效獲取Alice所傳遞的信息，Bob必須爭(zhēng)取其他兩個(gè)通訊用戶的幫助，然后再進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，進(jìn)而獲得Alice傳輸信息。

圖3 TTPC模式下糾纏態(tài)光場(chǎng)的量子通訊網(wǎng)絡(luò)示意圖

四、壓縮態(tài)與糾纏態(tài)光場(chǎng)的非線性控制

隨著科學(xué)界對(duì)量子態(tài)研究的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到在光學(xué)參變作用下，一方面能夠形成多種多樣的非經(jīng)典光場(chǎng)，另一方面能夠通過對(duì)參變過程的有效控制實(shí)現(xiàn)對(duì)非經(jīng)典光場(chǎng)的放大及其他方面的控制操作[3]。國(guó)外學(xué)者Andersen于2005年首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)相干態(tài)光場(chǎng)的非相敏放大，并通過科學(xué)的控制對(duì)非經(jīng)典光場(chǎng)進(jìn)行任意放大。Agarwal通過多次試驗(yàn)研究，證實(shí)了光學(xué)參變放大器對(duì)注入量子態(tài)的重要作用，他認(rèn)為在注入場(chǎng)以及下轉(zhuǎn)換諧波場(chǎng)干擾作用下，光譜很容易出現(xiàn)分裂現(xiàn)象。

4.1壓縮態(tài)光場(chǎng)的非線性控制

真空壓縮態(tài)控制試驗(yàn)可以通過三共振簡(jiǎn)并光學(xué)參變放大腔得以實(shí)現(xiàn)，其具體試驗(yàn)方案見圖4。通常，經(jīng)過激光器分離作用后，將會(huì)產(chǎn)生出532與1064nm兩道光束，將1064nm光攝入到模清潔器中并使其處于鎖定狀態(tài)，那么其出射的光將會(huì)呈現(xiàn)為兩束，一束作為本振光所需的模擬光，另一束則可作為匹配所需要的模擬光[4]。而532nm則可以作為OPA以及OPO抽運(yùn)光使用?？梢栽贠PA中注入一定的OPO真空壓縮光，以此探究OPA對(duì)真空壓縮光的控制作用。在未注入抽運(yùn)光的OPA腔中注入真空壓縮態(tài)光場(chǎng)，并對(duì)其X分子量量子噪聲進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示OPO腔的壓縮真空態(tài)光場(chǎng)的壓縮度噪聲明顯低于散粒噪聲；而在注入抽運(yùn)光的OPA腔中輸入真空壓縮態(tài)光場(chǎng)后，其X分量量子噪聲與遠(yuǎn)失鞋噪聲相比有明顯增加，可以判定在此條件下注入壓縮真空態(tài)光場(chǎng)將會(huì)被壓縮，相應(yīng)的X分子量噪聲也會(huì)被壓縮到一定水平，而Y分量噪聲則呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)。

5.2糾纏態(tài)光場(chǎng)的非線性控制

閾值下的II類非簡(jiǎn)并光學(xué)參變還能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)糾纏態(tài)光場(chǎng)的控制，研究在理論的基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用了兩個(gè)非簡(jiǎn)并光學(xué)參變放大器，分別用于產(chǎn)生初始EPR糾纏光束與對(duì)注入糾纏光束的控制，結(jié)果顯示當(dāng)這兩個(gè)放大器均應(yīng)用于反放大操作時(shí)，其糾纏態(tài)光場(chǎng)將會(huì)得到顯著的提升，而在工作狀態(tài)下，其糾纏關(guān)系也會(huì)發(fā)生明顯的變化。

六、結(jié)束語

研究對(duì)量子態(tài)線性與非線性光學(xué)控制進(jìn)行了深入分析，并構(gòu)建了連續(xù)變量多組份糾纏光場(chǎng)及量子通信網(wǎng)絡(luò)化操作，其能夠在一定程度上提升光場(chǎng)壓縮度與糾纏度，為該領(lǐng)域研究提供了必要的參考。另外，在參變放大器的作用下，壓縮態(tài)光場(chǎng)與糾纏態(tài)光場(chǎng)能夠得到明顯的增強(qiáng)，進(jìn)而提高壓縮度與關(guān)聯(lián)度，在通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，量子信息科學(xué)未來將逐漸實(shí)現(xiàn)實(shí)用化發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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