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222 篇 期刊文献
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主题

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23 篇 量子计算
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17 篇 量子信息
17 篇 量子密码
16 篇 量子通信
14 篇 量子模拟
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10 篇 量子信息处理
10 篇 轨道角动量
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8 篇 单光子源
8 篇 量子密钥分配
8 篇 量子点
7 篇 自发参量下转换
7 篇 核磁共振
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6 篇 线性光学
6 篇 冷原子
6 篇 量子签名

机构

189 篇 中国科学技术大学
65 篇 中国科学院大学
14 篇 北京邮电大学
13 篇 清华大学
11 篇 中国科学院上海微...
9 篇 中国科学院上海微...
9 篇 西安电子科技大学
8 篇 东南大学
8 篇 曲阜师范大学
7 篇 青海民族大学
7 篇 山西大学
6 篇 北京交通大学
6 篇 南京大学
6 篇 上海交通大学
6 篇 中国海洋大学
6 篇 中国科学院信息工...
6 篇 中国科技大学
5 篇 福建师范大学
5 篇 北京电子科技学院
5 篇 华东师范大学

作者

13 篇 龚谦
12 篇 王海龙
10 篇 郭光灿
10 篇 gong qian
7 篇 贾国庆
6 篇 尤立星
5 篇 温巧燕
5 篇 jia guoqing
5 篇 wang hai-long
5 篇 wang hailong
4 篇 薛国强
4 篇 周建钦
4 篇 林秀
4 篇 you li-xing
4 篇 胡学龙
4 篇 杨宇光
3 篇 俞重远
3 篇 卢晓春
3 篇 张亮
3 篇 封松林

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522 篇 中文

检索条件"机构=中国科学技术大学物理系和量子通信与量子计算开放实验室!合肥"

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量子通信与量子密码实验研究

量子通信与量子密码实验研究

引用

作者：陈腾云中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息是量子物理与信息科学相结合，发展起来的新学科。由于它具有经典信息无法比拟的优势和前景，近年来受到了广泛的注意和发展。量子信息主要包括量子通信和量子计算两个领域。量子计算的研究对象是量子计算机和适合于量子计... 详细信息

量子信息是量子物理与信息科学相结合，发展起来的新学科。由于它具有经典信息无法比拟的优势和前景，近年来受到了广泛的注意和发展。量子信息主要包括量子通信和量子计算两个领域。量子计算的研究对象是量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。量子通信的研究对象是量子密码，量子隐形传态，还有解决远距离量子通信的技术等。量子物理产生量子信息，量子信息反过来也促进量子物理学的反展。本文内容主要针对量子密码和实用量子中继技术，展开的研究，并介绍实验验证量子物理学与定域实在论矛盾的结果。为了解决量子传输时候的衰减和退相干，出现了量子中继技术。但实用的量子中继技术，需要解决纠缠同步问题。用激光束分束的办法，会导致同步纠缠对的数量随节点数指数下降。我们采用被动同步的办法，让两台独立的钛宝石飞秒激光器同步起来，作为纠缠源的甭浦源，得到了同步的纠缠源。同时我们测量了CHSH不等式，严格实验证明量子物理的正确性。保密一直是人们关心的课题，特别在军事上。而愈演愈烈的商业竞争领域，保密也成为必不可少的环节。经典的密码，随着量子计算时代的到来，都将不那么保险。由量子力学原理保证安全性的量子密码，成为人们唯一的选择。本文作者实验实现了克服自由空间量子通信过程中，空气扰动带来的集体旋转噪声的量子密码。该密码方案还可适用于

关键词：量子通信旋转噪声错误率量子信息光子对

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基于半导体自组织量子点的量子光源

基于半导体自组织量子点的量子光源

引用

作者：邹扬中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息科学诞生于20世纪后半叶,是物理学中量子理论与信息学和计算机科学相结合的领域,包含量子通信与量子计算两部分内容。随着人们不断改进计算机集成芯片的生产技术,芯片尺寸已经逐渐缩小到纳米量级,若再继续往下发展,量子效应将... 详细信息

量子信息科学诞生于20世纪后半叶,是物理学中量子理论与信息学和计算机科学相结合的领域,包含量子通信与量子计算两部分内容。随着人们不断改进计算机集成芯片的生产技术,芯片尺寸已经逐渐缩小到纳米量级,若再继续往下发展,量子效应将逐渐开始表现得显著。而且单位面积内芯片元件数量的增加,也带来了难以解决的热耗问题。物理学家landauer指出传统的经典逻辑运算是单向的,即信息的计算与处理过程是不可逆的,这种不可逆的过程是芯片产生热耗效应的根源,从原理上也限制了芯片集成度的进一步发展。因此研究新的计算模型的架构显得十分必要。此外由于Shor的量子大数分解算法以及Bennett的量子保密通信协议的提出,展现了量子并行计算和量子保密通信的强大潜力,使人们对可逆的量子计算和量子通信寄予了厚望,使量子信息得以发展具备了可能性。与经典信息一样,量子信息同样需要依靠真实的物理系统。光子作为量子通信的信息载体是被普遍认可的纯净系统,也是光通信技术发展的重要分支。因此能够产生单光子和纠缠光子的量子光源成为了量子信息产生和传输过程的源头,依靠光子加载量子信息,在量子网络的各节点之间传输和处理这样的光子是人们对量子通信的设想。半导体量子点就是这样一种极具潜力的量子光源系统,它是由分子束外延技术生长的一种准零维的纳米材料,对载流子电子与空穴的作用相当于一个势阱,因而载流子在其中具有类似原子的分立能级结构,能级跃迁时可以发射出单光子。它在制造工艺上和现有的半导体加工工艺相兼容,易于集成且性能稳定,而且发出的光子波长在一定程度上可以控制,因此备受人们关注。我们这里主要研究自组织量子点的光学性质,并且用它产生单光子和纠缠光子对。本文的主要结果有： 1.稀点法获得单光子源。半导体自组织量子点是生长过程中,由于品格释放内部应力而在异质界面上随机形成的,其大小、密度与发光性质都各不相同。但是通过控制生长温度,各元素组分的比例以及沉积的速率,可以在一定程度上控制分布的规律。我们使用密度呈阶梯分布的量子点样品进行研究实验,不用任何后续的加工手段,而在密度稀疏的地方找到并隔离出单个量子点。将其作为单光子源,每秒钟能够探测到10万个单光子,二阶自相关度小于0.27。 2.研究量子点的四能级跃迁模型与关联函数。单个量子点中束缚两对总自旋相反的电子空穴对形成双激子,并通过级联辐射发出双光子对的过程,可以抽象成一个四能级系统。我们在理论上研究这个模型时引入了温度作为一个参数,再利用能级跃迁的时间关联函数可以得到光子对的偏振密度矩阵,并进一步得到其发光特性。我们对此模型进行了数值模拟,解释光子对保真度随时间演化的一些实验现象。 3.利用四能级模型研究光子对偏振纠缠与量子关联的动力学演化性质。量子点中参与级联辐射过程的两个激子发出光子的偏振相互正交,因此有两种辐射路径,若不能从其他条件获区分辐射路径,则级联辐射过程发出的光子对是偏振纠缠的。我们用四能级模型研究了量子点发射光子对的纠缠动力学演化过程,发现随着温度升高而出现的纠缠突然死亡的现象。另外,量子关联是比量子纠缠更广泛的概念,包含了两个粒子之间一切不能用经典关联描述的关系。我们在用四能级模型模拟了量子点发光性质的基础上,讨论了级联辐射光子对之间的量子关联的演化情况,指出量子关联演化的一些特性不受环境中白噪声的影响,只与体系内声子辅助的过程有关。 4.实现量子点级联辐射光子对的Franson型干涉,及探测双激子能级的非均匀展宽。量子点材料中载流子的运动对量子点造成了一个随机电场,这个随机的电场导致了量子点内部能级的非均匀展宽,进而影响对量子点系统的相干控制以及辐射光子对的纠缠的质量。我们在实验上实现了量子点级联辐射光子对的Franson型干涉,并利用它直接测量了双激子能级的非均匀展宽,结果发现这个双激子能级的非均匀展宽比已知的激子能级展宽要小很多,预示着级联辐射过程可以产生很好的纠缠光子对。

关键词：自组织量子点级联辐射单光子源纠缠激子双激子 Franson干涉

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固态量子存储

固态量子存储

引用

作者：周宗权中国科学技术大学

学位级别：博士

光子是未来量子网络信息传递的天然载体,然而由于光子在光纤中传输损耗与传输距离呈指数关系增长,目前量子通信的距离被限制在三百公里左右。为克服这一困难,Briegel等人提出基于量子中继的远程量子通信方案。它依靠纠缠交换和量子存储... 详细信息

光子是未来量子网络信息传递的天然载体,然而由于光子在光纤中传输损耗与传输距离呈指数关系增长,目前量子通信的距离被限制在三百公里左右。为克服这一困难,Briegel等人提出基于量子中继的远程量子通信方案。它依靠纠缠交换和量子存储技术有效地克服了光子指数衰减问题,使得五百公里以上的量子通信成为可能。基于量子存储的分布式量子计算网络还可实现不同位置的量子处理器并行运算。所以量子存储器是构建量子网络的核心部件,实用化量子网络的构建依赖于高性能量子存储器的物理实现。固体中的稀土离子具有十分丰富的光学谱线,它的4f电子被外层5s等电子屏蔽,故与周围环境耦合很弱。相应的4f电子能级迁移在低温下具有很长的相干寿命,特别适于实现单光子的量子存储。我们这里主要研究基于稀土掺杂晶体的固态量子存储器。量子存储器作为一种多系统交互的重要媒介,实验研究的关键难题是实现不同系统与固态量子存储的对接。本人博士阶段的工作集中于量子光源与固态量子存储器的界面。本文主要取得以下成果： 1.相位补偿法纯化半导体自组织量子点产生的确定性光子对纠缠。半导体量子点内的载流子在空间上三维受限,这使得它具有分立的能级结构。当单量子点被激发到双激子态时,它可以级联发射偏振纠缠的光子对,是一种确定性的纠缠光子源。然而量子点的激子态具有精细结构劈裂,这一劈裂导致两种偏振态的光子间有一个相位演化,从而导致光子对纠缠的保真度下降。我们首先利用傅立叶变换把这一个时间依赖的相位转化为频率域的相位分布,然后提出利用光栅把光子频率域分布转化为空间域分布,再利用空间光调制器将这一相位差补偿掉,从而有效地提升了光子对的纠缠保真度。 2.单光子偏振比特的超高保真度固态量子存储。光子具有多种自由度可以携带信息,比如强度、相位、time-bin、偏振等。实际应用中,偏振是光子携带信息最方便最稳固的自由度。然而由于晶体的各向异性吸收特性的,故此前所有固态量子存储实验都是预先选定了单一偏振态的输入光子。我们首次设计出独特的“三明治”结构-即两个平行的掺杂晶体夹着一个45。半波片,实现了对单光子任意偏振的固态量子存储。由于这一结构具有天然的稳定性,我们实验测得偏振存储过程的保真度达99.9%,这是量子存储器存储保真度的最高记录。 3.固态介质中光前驱波的理论研究及实验观测。光前驱波是由索末菲尔德和布里渊于1914年为解决色散介质中群速度超光速与狭义相对论的矛盾而提出的理论。该理论指出,任何介质对光场的非连续跃变波前都是无法响应的,故光前驱波在任何介质中的传输速度都是真空光速,不依赖于具体介质的色散特性的。我们注意到稀土掺杂晶体的吸收带可以由泵浦光场实现任意的编程控制,从而获得快光、慢光或者无色散传输的条件我们提出利用偏振干涉仪的方案可以直接比较不同色散条件下光前驱波的传输速度。随后,我们基于Nd:YVO4晶体实验实现了光前驱波的观测,且实验证明了不同色散条件下光前驱波的速度是精确一致的。 4.在Nd:YLF晶体中首次实现固态量子存储。我们选取了多种厚度、浓度的Nd:YLF晶体并在不同温度和磁场下多次实验,最终在1.5K温度,6.6T磁场的条件下实验实现了效率达35%的原子频率梳量子存储。实验中我们直接分辨了不同Nd同位素的吸收线。随后我们进一步完成了对同位素提纯的143Nd:YVO4晶体的初步光谱研究。 5.窄带参量光的固态量子存储以及LGI的实验检验。我们利用非线性晶体中的参量下转换过程制备了纠缠光子对。为了匹配固态量子存储的带宽,我们采用了光栅加光学标准具滤波的手段制备了带宽约700MHz的窄带参量光光子源。接着我们实现了对该光子的固态量子存储。基于我们自主提出的偏振依赖频率失谐的原子频率梳方案,我们实现了对存储器集体激发模式动力学演化的控制,并首次在光与物质界面的系统中实现了对LGI的实验检验,证明了宏观系统内的量子相干演化。 6.量子点确定性单光子的固态量子存储。半导体量子点不仅是一种确定性的量子光源,其内部电子的自旋还可以作为量子比特实现一些量子逻辑操作,故量子点有望在未来量子网络中成为重要的节点。实现半导体量子点与固态量子存储的量子界面具有重要的意义。我们首先利用特别制备的InGaAs量子点发射880nm波长的单光子,其波长由局部加热和光学标准具严格对准存储器工作波长。该单光子加载了偏振信息存入存储器中并读出,存储保真度超过91%。我们进一步演示了存储器的多模式操作,实验中对真单光子的存储模式数达到100个,这是目前量子存储器单光子存储多模式容量的最高水平。 7.高维轨道角动量纠缠的固态量子存储。轨道角动量描述光场的横向相位分布,它具有不受限的量子数,这一特性使得它可用于高维度信息编码并实现空间域的多模式复用。我们首次实验实现了单光子轨道角动量量子态的固态量子存储。基于非线性晶体可

关键词：固态量子存储量子中继参量下转换单量子点量子纠缠轨道角动量 LGI 光前驱波

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高维光纤系统及其非线性研究

高维光纤系统及其非线性研究

引用

作者：方文坛中国科学技术大学

学位级别：博士

光纤技术自从问世以来,已经被广泛应用于通信、激光以及传感等领域。各种光学复用技术的出现,如波分复用技术、时分复用技术以及空分复用技术等,提高了光纤的信息容量,将光纤光学系统拓展至高维领域。高维光纤系统具有极大的信息容量、... 详细信息

光纤技术自从问世以来,已经被广泛应用于通信、激光以及传感等领域。各种光学复用技术的出现,如波分复用技术、时分复用技术以及空分复用技术等,提高了光纤的信息容量,将光纤光学系统拓展至高维领域。高维光纤系统具有极大的信息容量、繁多的模式结构以及复杂的模间相互作用等特点。这些特性使得高维光纤系统成为研究与发展高速光通信技术和高功率激光技术的良好平台。时分复用与波分复用,是已经被广泛应用在传统光通信领域的复用技术。它们分别在时域与频域拓展光信号的自由度,以期望在更少的信道内获得更高的信息容量。当这些技术与新兴的量子信息技术相结合时,将诞生一种全新的高维光量子态。高维量子态在量子信息领域有着重要应用,不仅适用于复杂的高维量子计算,还可以运用到高维量子通信中,从而大幅提高量子信息容量。空分复用技术,采用空间维度复用光信号,是一种更为新型的复用技术,也是突破传统光纤通信系统瓶颈的下一代通信技术。单模光纤优良的单模性,使其一度成为光纤通信的首选介质。空分复用技术的光纤系统概念的提出,也预示着多模光纤的回归,多模光纤再次成为研究的热点。在各种类型的多模光纤中,一种可以用以稳定传输高维轨道角动量模式的光纤——涡旋光纤的提出,为下一代空间高维光纤通信系统的构建提供了新的途经。此外,在基于多模光纤的高维光纤系统中,一些物理现象与低维系统完全不同。基于高维光纤系统的非线性效应,得益于高维系统纷杂模式的相互作用,表现出更复杂的非线性效应。同时,由于多模光纤的大模场面积,高维光纤系统也更适用于构造高功率光纤激光器。因此,对于高维光纤系统中的非线性现象研究,以及其在激光技术以及量子信息等领域的应用是非常有意义的。本文的主要工作与研究成果如下:1、以设计的涡旋结构光纤作为非线性介质,采用轨道角动量与基模混合模式的1560nm飞秒脉冲激光泵浦,产生光谱范围926nm-2300nm的超连续谱结构。在超连续谱产生的过程中,观测到基模与轨道角动量模式的模间四波混频效应。经过详细的理论分析,首次证实了级联模内-模间四波混频的级联作用的存在。2、通过涡旋光纤色散调控的方式,可以控制光纤中传播轨道角动量模式的相位匹配条件。本章介绍了一种低串扰、高效率的轨道角动量模式的模内四波混频现象。特殊设计的涡旋光纤结构,综合考虑了轨道角动量模式稳定传输的线性特性和多种模式四波混频相位匹配的非线性特性。实验中测得基模与轨道角动量模式两套不同的的非线性增益谱,并且测量结果与理论计算的结果保持一致。3、提出了一种基于有源环形掺镱涡旋光纤的单高阶柱矢量模式输出的光纤激光器。本章中提出了一种基于多模速率方程的模型以解释这种光纤激光器的模式竞争行为,模式增益的计算结果证实了基于模式增益方式激光腔内选模方法的可行性。实验中,通过采用高阶模泵浦光以及特殊设计环形掺杂涡旋光纤结构结合的方式,实现了基于一种控制模式增益单一的高阶柱矢量模式输出的光纤激光器。最终,柱矢量激光器的斜率效率达到了 79.61%,阈值为47.73mw,且输出高阶柱矢量模式的纯度超过了 95%。这种新型的基于模式增益控制的激光器为实现高阶模式高功率光纤激光器提供了一种新的途经。4、将传统的光纤通信技术中的时分-波分复用技术与量子纠缠源的产生相结合,以硅基纳米线作为非线性介质,实现了一种新型的高维量子纠缠源。这种纠缠源可以分发至42个时间-波长信道,并且每个信道的干涉可见度都超过了 90%,极大提升了量子态携带的信息容量。同时,各个时间信道纠缠光子间的不可区分性通过Hong-ou-Mandal干涉验证,证明了这种高维纠缠时间维度间的独立性。本文的创新点如下:1、通过混合模式泵浦,在涡旋光纤中实现了 960nm-2300nm的轨道角动量模式的超连续谱。在多模超连续谱的产生过程中,观测到了一种模内-模间级联四波混频效应。实验中测量到的参量光谱边带与根据四波混频相位匹配条件计算得到的边带保持一致。2、设计涡旋光纤的结构参数,不仅保持了涡旋光纤支持轨道角动量稳定传输的特性,并且使得基模与轨道角动量模式的零色散点移动至1550nm附近,进而实现了一种多种模式的模内四波混频效应。同时,特殊的设计使得不同模式间的四波混频效应互不干扰,保持了参量放大的高信噪比。3、设计有源环形掺杂涡旋光纤,采用高阶模式泵浦,以调节多模模式相关增益的方式,结合激光腔内内部的模式竞争机制,产生了高效的柱矢量激光。建立基于多模速率方程理论的模型,数值模拟了模式增益控制对激光输出模式的影响,且计算结果与实验结果一致。4、利用传统光纤通信的时分-波分复用技术,产生了一种新型的高维量子纠缠态。这种纠缠态不仅最多可以分发至42个通信信道,而且各个时间信道的纠缠态保持相互独立。

关键词：涡旋光纤轨道角动量超连续谱四波混频柱矢量光纤激光器高维纠缠态

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线性光学中的量子人工智能

线性光学中的量子人工智能

引用

作者：俞上中国科学技术大学

学位级别：博士

量子人工智能是量子力学和人工智能技术结合的产物。一个量子系统具有相干性,即该系统有可以同时存在多种状态组合的特性。这种特性使得将量子系统作为计算比特时,会有先天并行性计算的优势。由此衍生出来的量子计算科学,正是当下的一... 详细信息

量子人工智能是量子力学和人工智能技术结合的产物。一个量子系统具有相干性,即该系统有可以同时存在多种状态组合的特性。这种特性使得将量子系统作为计算比特时,会有先天并行性计算的优势。由此衍生出来的量子计算科学,正是当下的一个热门研究方向。同时,近几年来快速发展的人工智能技术,已慢慢成为我们日常生活中不可分割的一部分,比如图像识别、自动驾驶、城市大脑等等。随着大数据时代的来临,人工智能对计算机算力的要求也是不断提高,这使经典计算机不断地逼近摩尔定律所限制的瓶颈。在这样的一种背景下,我们想将量子力学,特别是量子计算,与人工智能相融合,利用量子并行性计算所带来的算力优势,服务于更加复杂,数据量更大的人工智能算法。实现量子计算的物理系统有许多种,比如超导系统、离子阱系统等等。线性光学系统通常以光子态的偏振、路径等作为量子比特,通过控制每个量子比特的状态,来实现相应的计算任务。这种系统具有相干时间长、编码维度多、能在室温下运行等诸多优点,所以能支持多种人工智能算法的量子版本,并能缩短相应的运算时间。本文所取得的主要研究成果如下:1.用梯度下降方法搜索最优量子相干冻结点的实验研究量子相干是量子系统的一种重要资源。当经过一个噪声信道时,量子相干会随着演化时间的增长而不断地递减。我们试图利用波片来控制量子信道的各种参数,并利用最原始的梯度下降算法,来搜索一段演化时间后能使相干保持最大值的信道状态。通过实验我们发现这种经过“学习”之后的量子信道可以使量子相干这种资源在演化时达到最小程度的减少,甚至冻结。2.利用贝叶斯推断方法探测量子突变点由于量子系统具有相干性,我们只能以一定的概率去区分两个非正交的量子态。当有一串量子态被连续发出,并在其中某一点开始发生改变时,如何以最高的成功率去探测这个突变所发生的位置,是我们所要研究并解决的问题。利用贝叶斯推断的方法,连续的测量每一个量子态,并在每一次测量过后利用贝叶斯更新,快速地调整测量基,最后通过对先验概率的分析,我们发现可以以最高的准确率找到量子态的突变点。3.利用深度学习方法重构单比特量子态量子态重构是量子信息研究中的一个重要环节,其中最常用的手段就是量子态层析(tomography)。但是这种方法一般需要大量的量子态拷贝作为准确度的保障。这里我们利用深度学习算法,根据每次测得的数据对测量基做出调整,发现可以使用更少的量子态拷贝完成相同精度的量子态重构任务。4.利用机器学习方法预测系统在非马尔可夫演化下的动力学过程由于量子系统总是不可避免的会与环境发生耦合,所以对开放量子系统的研究是处理各种实际量子问题的必要环节。对于一个未知的具有记忆性的量子信道,我们先通过对这个演化信道本征值谱的研究,来确定其非马尔科夫性的程度。然后,我们又利用机器学习,并采用一种常用于深度学习中的“Adam”一阶优化方法,来成功预测一个量子系统在记忆性量子信道中演化的动力学过程。

关键词：量子人工智能线性光学系统量子相干量子态重构开放量子系统

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基于多个冷原子系综的量子网络

基于多个冷原子系综的量子网络

引用

作者：敬波中国科学技术大学

学位级别：博士

构建量子网络就是实现多个远距离的量子存储器之间的量子纠缠,它使得多方量子通信成为可能,同时还能够应用于分布式量子计算、分布式量子精密测量和大尺度空间下的基础物理检验等领域。由于光能够携带信息进行传输,非常适合用于连接不... 详细信息

构建量子网络就是实现多个远距离的量子存储器之间的量子纠缠,它使得多方量子通信成为可能,同时还能够应用于分布式量子计算、分布式量子精密测量和大尺度空间下的基础物理检验等领域。由于光能够携带信息进行传输,非常适合用于连接不同的量子存储器,因此产生高品质的光与量子存储器之间的纠缠很有必要。现在有很多物理体系用于量子存储,其中,冷原子量子存储器由于在读取效率、寿命等综合水平中占优而备受青睐。并且冷原子系综中还能直接产生光与原子的纠缠,特别适合用于量子网络。在这篇论文中,我们正是基于多个冷原子系综展开研究。首先我们通过使用环形腔来增强光与原子的作用,提高量子存储器的内禀读出效率,同时通过设置控制光与腔不共振而信号光与腔共振,避免了额外的滤波装置,大大提升了光与原子纠缠的亮度。然后,我们通过对极化、多激发事例等内容展开的研究使得我们能够提升光与原子纠缠的保真度。以此为基础,我们结合全同光子的干涉,成功实现了高保真度的纠缠交换操作,进而使得我们成功连接了三个量子网络节点,第一次实现了三个冷原子系综的GHZ态纠缠和三个冷原子系综、三个光子的六体纠缠。更进一步的,为了扩展量子节点间的距离,我们将量子频率转换技术应用起来,成功获得了通讯波段光子与原子的非经典关联,从而实现了相距50km的两个冷原子系综之间的纠缠。此外,我们利用冷原子系综在实验上同时产生三个频率完全可区分的光子,第一次开展了非全同光子在时间分辨测量下的三光子干涉实验,为将来提高量子网络的兼容性奠定了基础。本论文中完成的多个原子系综的纠缠连接和非全同光子干涉的相关研究成果能够极大地促进关于量子网络的研究。在今后进一步研究中可以通过结合里德堡原子产生确定性光与原子纠缠、长寿命量子存储来提升连接网络节点时的成功率,促进全球化量子网络的实现。

关键词：量子网络冷原子系综量子存储光与原子纠缠多光子干涉时间分辨测量

来源：评论

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开放量子系统量子态相干保持的控制策略研究

开放量子系统量子态相干保持的控制策略研究

引用

作者：李明中国科学技术大学

学位级别：博士

量子理论和经典信息论、计算技术的结合诞生了量子信息论。量子信息论有望完成许多经典信息所不能完成的信息处理功能,孕育着信息工程带来划时代变革的动力,因而引起了科学界的广泛关注。近年来,一些量子计算与量子通信方案也已在实验... 详细信息

量子理论和经典信息论、计算技术的结合诞生了量子信息论。量子信息论有望完成许多经典信息所不能完成的信息处理功能,孕育着信息工程带来划时代变革的动力,因而引起了科学界的广泛关注。近年来,一些量子计算与量子通信方案也已在实验室实现,一些迈向实用化的量子逻辑器件的雏形开始呈现在人们面前。但在看到这些辉煌成果的同时,我们必须关注新的挑战:作为量子信息论基础的量子相干性和量子纠缠均会因为与环境的纠缠而遭到破坏,量子的消相干效应成为实现量子计算的主要障碍之一,因而克服消相干效应对系统状态的影响,实现开放量子系统的相干保持,使之成为高效可控的量子物理过程并容错的进行量子操作是实现量子计算的关键。针对上述问题,在分析了量子控制和量子消相干抑制两者之间关系的基础上,研究了基于主方程模型描述的开放量子系统中存在的消相干因素的形成机理和表达方式,并设计了相应的控制方案实现其相干保持,主要工作和贡献如下: （1）研究了主方程模型描述的开放量子系统的动力学特性。根据开放量子系统的消相干原理,首先分析了系统和环境之间可能存在的多种相互作用的形式,而后刻画了主方程模型描述的开放量子系统的随机动力学特征,得到了表征系统消相干因素的Lindblad算符和描述系统量子态演化规律的量子随机微分方程。然后根据微分方程的形式,利用系统仿真的方法,实现了表征系统演化特性的约化密度算符的数值模拟。并给出一个实例,通过与经典Runge-Kutta迭代算法的比较验证了其实用性和优越性,最后分析了仿真算法的收敛性。该部分内容旨在给后面的控制方案提供理论依据和方案指导,使得后续的控制方案可以针对各种不同的消相干形式有针对性的实现系统的相干保持;（2）针对一般消相干形式描述下的主方程模型研究了其相干保持问题。首先通过分析描述系统密度矩阵演化的主方程模型,并将其转化为实向量空间上的状态空间模型描述,从而获得表征系统相干性的相干向量。控制的目标即使得系统在演化过程中,相干向量的模长变化为最小。在该思想指导下,借助经典最优控制的思想,提出一种既保证系统控制能量最小,同时又最大程度的减邢喔傻淖钣趴刂撇呗浴? （3）由主方程模型的一般描述,进而扩展到含有特定物理意义的消相干形式的描述,研究具有典型消相干因素影响的开放量子系统中的相干保持问题。该部分主要针对开放量子系统中存在的两种耗散形式:（Ⅰ）腔-QED中存在的原子的自发辐射以及（Ⅱ）在三能级原子体系中存在的由于原子的自发辐射而引起的自发辐射相干。针对上述两个问题,分别提出了实现其相干保持的控制方案: a.考虑腔-QED中消相干最重要的成因之一—原子自发辐射,为了避免其对Rabi振荡的影响,在利用光学Bloch方程建立了Rabi振荡的传递函数模型之后,借助经典控制中的根轨迹方法,提出了一种使得Rabi振荡保持相对稳定的补偿策略,消除了消相干的影响。然后给出了结合量子层析技术的一个物理实现。 b.在分析了以单色激光场为控制场的八型三能级原子系统的主方程模型的基础上,得到了系统由激发态到基态的自发辐射通道之间会形成交叉耦合使寄存在三能级原子上的信息不断衰减的量化模型,而后借助无消相干子空间的构造方法,设计了通过改变耦合激光场Rabi频率的方式实现系统中量子态相干保持进而达到纠错作用的控制策略。

关键词：量子调控开放量子系统消相干效应相干保持主方程模型最优控制相干控制无消相干子空间

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宽带固态量子存储器及其在量子通信和基本物理检验方面的应用

宽带固态量子存储器及其在量子通信和基本物理检验方面的应用

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作者：刘肖中国科学技术大学

学位级别：博士

量子存储器作为构建量子网络的核心器件,近十几年来发展迅速。在量子计算中,它可用作不同信息处理过程间的同步装置。在量子通信中,可结合纠缠交换技术实现量子中继,使远距离量子通信成为可能。其中固态量子存储器具有存储寿命长,带宽大... 详细信息

量子存储器作为构建量子网络的核心器件,近十几年来发展迅速。在量子计算中,它可用作不同信息处理过程间的同步装置。在量子通信中,可结合纠缠交换技术实现量子中继,使远距离量子通信成为可能。其中固态量子存储器具有存储寿命长,带宽大,保真度高,多模式存储能力强等优点,是最有希望实现量子中继的量子存储系统之一。除此之外,作为光与物质的相互作用系统,量子存储器及其对应量子光源还可进行有关基本量子物理问题的研究,如光子反常轨迹的观测和宏观实在性的检验等。本人博士期间主要进行基于掺Nd晶体的宽带固态量子存储器的研究,包括一些其在量子通信以及量子基本问题检验方面的应用。本文所取得的主要研究成果如下:1.对143Nd:YVO4晶体的光谱及存储性质的应用研究。基于Nd-143的稀土掺杂晶体由于其内部存在的核自旋能级,使其有望在未来实现长寿命量子存储。我们首次在同位素提纯143Nd:YV04晶体中实现了初步的光谱学研究,并进一步实现了原子频率梳的制备和二能级原子频率梳存储。这些研究为下一步光子在该体系中进入核自旋能级实现自旋波量子存储提供可行性。2.提出基于中等寿命量子存储器的半分层型量子中继理论方案。大尺度量子网络的构建依赖于实用化量子存储器的实现。目前,已经存在很多量子中继方案,其基本目标是要超越光纤直接传输单光子。然而其中绝大多数方案都存在光子分配效率不高以及利用现有技术难以实现等不足。我们提出一种半分层型的量子中继结构,它能在优化分配速率的同时将存储器的寿命需求降至数十毫秒量级。同时该方案还能固定节点的距离,此时中继器对存储器的寿命需求也就固定,几乎与分配距离无关,这种配置适用于大规模量子网络中需要可拓展应用的场景。3.实验观察到单光子的反常历史轨迹。当我们考虑一个光子的运动轨迹的时候,量子力学给出的解释与经典世界的现象之间的矛盾变得异常突出。从经典的角度来看,轨迹只有对粒子才有意义,对波来说并不适用。而波粒二象性的发现使得这种二分法的概念逐渐被人们所抛弃,取而代之的是量子力学给出的出色解决办法:轨迹可以被严格定义,但是它与经典的轨迹概念全然不同。通过利用单光子的频谱组成来标记其路径的技术,我们给出了单光子轨迹的一种操作性定义,该定义显示利用光的频率自由度可以构建一种真正的量子测量设备。利用这种方法,我们分析了一系列装置,发现了反常不连续的光子轨迹,从光子产生的地方到其探测的地方之间并不连接。利用级联的干涉仪,我们在实验上展示了这些不连续的光子轨迹,并进一步演示了如何利用二态波矢法对实验结果进行简单解释。4.在光与物质相互作用的系统中实现了对宏观实在性的严格实验检验。宏观实在性是一种经典的世界观,它认为一个宏观系统总是会确定地处于一系列宏观可区分的状态中的一个,因而不可能处于这些状态的叠加之中。在宏观尺度上的量子现象是否存在物理基本原理的限制,这个问题至今仍然不清楚。实验上,我们利用量子存储器在光与物质相互作用界面实现了一个严格而简单的宏观实在性检验。我们首先产生一个包含两个宏观可区分固态系统激发态的微观-宏观纠缠态。通过实验检验,我们证明了在该体系中由1010个离子共享的涉及76个原子激发的相干叠加态依然违背宏观实在性。这些结果为利用量子存储技术提高原子叠加态的尺度以及进一步推进划分微观与宏观的界限提供了一种通用的方法。

关键词：固态量子存储量子中继稀土掺杂晶体量子光源自发参量下转换反常历史轨迹宏观实在性

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量子纠缠与量子导引的判据研究

量子纠缠与量子导引的判据研究

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作者：郑玉鳞中国科学技术大学

学位级别：博士

量子非定域性是量子世界与经典世界的重要区别之一,也是量子力学中最基本的问题之一,同时是进行量子通信和量子信息处理最重要的资源。量子非定域性主要包含三种形式:量子纠缠（quantum entanglement）、量子导引（quantum steering）... 详细信息

量子非定域性是量子世界与经典世界的重要区别之一,也是量子力学中最基本的问题之一,同时是进行量子通信和量子信息处理最重要的资源。量子非定域性主要包含三种形式:量子纠缠（quantum entanglement）、量子导引（quantum steering）、贝尔非定域性（Bell nonlocality）。量子纠缠考虑了两个或多个粒子间的相互关联,不排除定域隐变量模型的可能性。量子导引最早由薛定谔提出,用于描述两体量子系统中,对某一粒子用不同的基矢测量,会使得另一个粒子塌缩到不同的本征态上这一性质。贝尔非定域性则描述了排除隐变量模型的量子纠缠现象的存在。贝尔本人通过提出了贝尔不等式,为实验验证EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯谬中所描述的只有量子力学才能允许的非定域性指明了方向,为判断能否由定域隐变量导致纠缠现象提供了判据。其后的实验也充分证实了量子力学的正确以及贝尔非定域性的存在。本文针对量子纠缠和量子导引这两个重要方向进行了如下方面的研究:1、量子纠缠是量子非定域性的重要表现形式之一,同时它在量子密钥分发、隐形传态、量子计算或其它应用领域中也是一种重要的物理资源。因此如何判断一个量子态是否为纠缠态是一个根本,然而又仍然悬而未决的问题。我们先介绍了一些常用的判据,包括部分转置正定判据（positive partial transpose criterion,PPT criterion）,矩阵重排判据（realignment criterion）,以及纠缠目击者（entanglement witness）。虽然已经有很多判据来判别量子纠缠,然而每种判据都有它的适用范围。因此我们致力于找到更普适的判别方法,于是提出了一种新的纠缠目击者,它可以针对不同的态构造不同的可观测量去测量,以适合更多不同类型的纠缠态的探测。并给出一些例子进行说明如何使用该纠缠目击者进行判断。2、量子导引是不同于量子纠缠以及贝尔非定域性的另一种量子非定域性。在实际实验中,等价于持有粒子的双方,在其中一方可信而另一方不可信的情况下,若能判断出双方的粒子之间有纠缠现象,那么就是可以进行量子导引的。我们在这篇论文中首先引用了优化方法将线性的量子导引不等式最优化,并且将这种方法推广到其它线性不等式。进而我们构造了一个量子导引目击者来判断一个态是否具有量子导引的特性。最后我们还通过不确定关系的方法得到了新的量子导引不等式。每种判断方法将给举例说明具体应用,部分结果优于前人的结果。

关键词：量子信息量子非定域性量子导引量子纠缠

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量子通信方案的线性光学实现

量子通信方案的线性光学实现

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作者：林青中国科学技术大学

学位级别：博士

量子信息是二十世纪末诞生的一门新兴的交叉学科，它将量子力学与计算机、信息等科学结合起来，致力于构建新型的更加有效的计算机以及更加快捷方便的通讯体系，它的出现为人们在物理、信息科学的发展领域展现了一幅美妙的前景。量子信... 详细信息

量子信息是二十世纪末诞生的一门新兴的交叉学科，它将量子力学与计算机、信息等科学结合起来，致力于构建新型的更加有效的计算机以及更加快捷方便的通讯体系，它的出现为人们在物理、信息科学的发展领域展现了一幅美妙的前景。量子信息包括量子密码学、量子计算和量子通信等。量子密码学为人们提供了一套基于物理定律的安全的密码体系。目前，量子密码在光纤系统中已趋于实用化。量子计算则致力于研究基于量子态操作演化的量子计算机，以完成更复杂的问题或者更快捷更有效的完成一定的问题。目前，在光学系统，离子阱，腔QED，核磁共振，量子点以及超导系统等都有一定的进展。量子通信一般是在通信双方中间构建量子信道，并交于量子信道传输信息。量子隐形传态和量子密集编码是极具代表性的两个量子通信方案，首先在线性光学体系中得到实现。量子通信是继量子密码之后趋于实用化的另一个量子信息研究内容。目前的主要难题是如何选择合适的物理体系实现稳定、快速、可靠的远距离通信。另外，与经典通信理论类似，量子通信的理论基础也有待进一步的改善。在本文中，将着重研究两个量子通信方案的线性光学实现。另外，就量子通信的基础理论——信道容量理论也有一定的研究。 1、线性光学器件实现概率密集编码方案量子密集编码向人们展现了量子通信的优越性，通过事先共享一对Bell态，通信双方可以在仅传送一个量子比特的前提下，进行两比特经典信息的交流。而如果事先共享的纠缠纯态处于非最大纠缠态，那么只能以一定的概率实现两比特经典信息的交流。我们在原有理论的基础上，先使用线性光学器件实现了两个非正交态的确切识别，再通过参量下转换制备光子纠缠及后验选择的符合测量，给出了概率密集编码的实现方案。经过论证，我们的方案在目前的实验技术条件下是可行的。 2、线性光学实现量子振幅消相干信道中的比特纯化量子比特在传输过程中，不可避免的与周围环境耦合，因而不可避免的引入噪声。量子比特纯化是一种通过一定的量子操作来提纯被环境破坏的量子比特的技术。我们在原有理论的基础上，给出了实现量子振幅消相干信道中的比特纯化的线性光学方案。在我们的方案中，包括了量子振幅消相干信道的模拟，两比特最优纯化的操作的实现，以及对任意输入量子比特和任意个数量子比特纯化的讨论。同样，我们验证了这一方案在实验上是可行的，并且有可能在实际的通信过程中有所应用。 3、量子信息传输中的超可加性量子信息传输过程中，如果接收方采用联合测量来提取信息，那么n+m个信道同时传输码长为n+m的量子比特，其所能提取的信息量将有可能超过分别使用n、m个信道所能传输的信息量之和，这就是所谓的超可加性，这一性质是量子通信所特有的。在此，我们考虑量子振幅消相干信道传输量子信息的情况，首先给出了对应混态系综信息提取的一组最优操作，并计算了单道信道容量。由此，我们证明对于一组特定的输入态集，超可加性对于混态系综仍然存在。

关键词：量子通信密集编码比特纯化超可加性线性光学

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