連續變量量子態的光學控制分析

雋若瑜

【摘要】 近年來，國內學者對非經典光場進行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。作為量子信息與量子計算過程中極為重要的組成部分，非經典光場一方面能夠促進信息與通訊領域工作的順利完成，另一方面能夠實現對量子態的操作、控制。本次研究將著重對連續變量多組份糾纏態光場進行深入分析，并在此基礎上探究了連續變量量子通訊網絡及光場控制，為相關行業提供有效的參考。【關鍵詞】 連續變量 糾纏態 量子態 光學控制

隨著我國社會現代化建設的不斷發展，我國的量子信息科學應用技術得到了卓有成就的發展，多組份量子糾纏態的重要性更加凸顯，其能夠為量子計算與量子網絡通訊提供必要的技術支持，當前，我國量子學領域已經發現了多種類型的多組份量子糾纏態，其具備多種不同物理結構，因此對連續變量量子態的光學控制分析有著重要的實踐意義與應用價值。

一、基于6.0dB連續變量EPR下糾纏態光場的產生

經過多次試驗研究表明，光學參變放大器能夠作為提升糾纏態光場的最佳選擇，學者Qu對閾值下的NOPA輸出的下轉換真空模進行了驗證，結果顯示其呈現出明顯的EPR量子關聯特性。另外為增強明亮EPR光束的實用性，我國學者還對注入場不為0狀態下的NOPA輸出場特性進行了深入分析，并在參變放大與反放大的作用下最終獲得了振幅正關聯與反關聯情況。在EPR糾纏態光束測量過程中往往會產生正交振幅以及相對應的噪聲功率譜，具體見圖1，同時采用兩臺譜儀對2MHz位置頻率的量子噪聲極限（QNL）進行測量，曲線1表示的是QNL，正交振幅反關聯與正交相位正關聯均低于其所對應的QNL（6.08±0.18）dB以及（6.22±0.16）dB，并由此得出量子關聯起伏的實際數據為〈δ（Xa+Xb）〉=（7.30±0.18）dB，〈δ（Xa-Xb）〉=（7.50±0.16）dB，根據上述可知EPR糾纏態光束能夠滿足〈δ（Xa+Xb）〉+〈δ（Xa-Xb）〉=0.463<2的不可分判據條件。

二、線性光學控制連續變量多組份糾纏態光場

作為實現連續變量量子信息網絡以及計算的重要資源，多組份糾纏態與ERP糾纏態往往是相對而言的，單純從實驗方面來看已經實現了四光子Cluster、五光子GHZ偏振、六光子GHZ以及Cluster糾纏態，其在連續變量方面也取得了鮮明的成效，不僅能夠借助光學分束器實現對單模壓縮態光場的有效控制，獲得多個連續變量多組份糾纏態，而且還能夠將其運用到量子離物傳送網絡系統及量子通訊中[1]。有學者建立了正交壓縮態光場連續變量四組份糾纏態光場實驗，并獲取了Cluster與GHZ糾纏態，結果符合連續變量多組份糾纏的不可分判據要求。同年還提出了與GHZ態、Cluster態明顯不同的新型四組份糾纏態，截至目前尚未形成與之對應的量子比特表達式，且每個糾纏判據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變量TTPC糾纏態，其具體結構見圖2。

三、TTPV糾纏態光場下的量子通訊網絡

通常，在信息傳輸系統中，經典信息往往是以0或1的二進制數據形式得以呈現，若想使得2bit信息能夠順利傳遞，必須確保通訊雙方能夠達到兩次以上信息的傳遞。近年來，科學界提出了量子信息的概念，學者開始致力于通過量子力學提升傳輸信道容量的研究，并取得了一定的研究成果[2]。學者Bennet所提出的糾纏粒子理念不僅打破了傳統經典限制，而且在一定程度上提升了量子密集編碼，其主要是通過對糾纏系統子系統的控制達到對2bit信息的有效傳遞。學者Mattle最早實現分離變量的量子密集編碼，并逐漸將其應用到連續變量領域中。我國山西大學光電研究所針對這一問題進行了EPR糾纏光束實驗，結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，進而使信息傳輸效率得到提升。本次研究構建了TTPC糾纏態下的四站量子密集編碼通訊網絡系統，將b1、b2、b3、b4四個子模分別分發到與之相距較遠的Alice、Bob、Claire以及Daisy四個通訊用戶中，其相鄰用戶的通訊情況見圖3。Alice能夠利用振幅調制器以及相位調制器將所要傳遞的信息調制于其子模b1上，然后再發送到Bob，為了有效獲取Alice所傳遞的信息，Bob必須爭取其他兩個通訊用戶的幫助，然后再進行聯合測量，進而獲得Alice傳輸信息。

圖3 TTPC模式下糾纏態光場的量子通訊網絡示意圖

四、壓縮態與糾纏態光場的非線性控制

隨著科學界對量子態研究的不斷深入，人們逐漸認識到在光學參變作用下，一方面能夠形成多種多樣的非經典光場，另一方面能夠通過對參變過程的有效控制實現對非經典光場的放大及其他方面的控制操作[3]。國外學者Andersen于2005年首次實現了對相干態光場的非相敏放大，并通過科學的控制對非經典光場進行任意放大。Agarwal通過多次試驗研究，證實了光學參變放大器對注入量子態的重要作用，他認為在注入場以及下轉換諧波場干擾作用下，光譜很容易出現分裂現象。

4.1壓縮態光場的非線性控制

真空壓縮態控制試驗可以通過三共振簡并光學參變放大腔得以實現，其具體試驗方案見圖4。通常，經過激光器分離作用后，將會產生出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，那么其出射的光將會呈現為兩束，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抽運光使用。可以在OPA中注入一定的OPO真空壓縮光，以此探究OPA對真空壓縮光的控制作用。在未注入抽運光的OPA腔中注入真空壓縮態光場，并對其X分子量量子噪聲進行測量，結果顯示OPO腔的壓縮真空態光場的壓縮度噪聲明顯低于散粒噪聲；而在注入抽運光的OPA腔中輸入真空壓縮態光場后，其X分量量子噪聲與遠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光場將會被壓縮，相應的X分子量噪聲也會被壓縮到一定水平，而Y分量噪聲則呈現明顯增加趨勢。

5.2糾纏態光場的非線性控制

閾值下的II類非簡并光學參變還能夠在一定程度上實現對糾纏態光場的控制，研究在理論的基礎上建立了相應的實驗模型，采用了兩個非簡并光學參變放大器，分別用于產生初始EPR糾纏光束與對注入糾纏光束的控制，結果顯示當這兩個放大器均應用于反放大操作時，其糾纏態光場將會得到顯著的提升，而在工作狀態下，其糾纏關系也會發生明顯的變化。

六、結束語

研究對量子態線性與非線性光學控制進行了深入分析，并構建了連續變量多組份糾纏光場及量子通信網絡化操作，其能夠在一定程度上提升光場壓縮度與糾纏度，為該領域研究提供了必要的參考。另外，在參變放大器的作用下，壓縮態光場與糾纏態光場能夠得到明顯的增強，進而提高壓縮度與關聯度，在通訊網絡技術的支持下，量子信息科學未來將逐漸實現實用化發展。

參 考 文 獻

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[3]趙軍軍， 郭曉敏， 王旭陽，等. 銣原子吸收線波段雙色連續變量糾纏態的實驗制備[J]. 山西大學學報（自然科學版）， 2013， 36（2）：192-195.

[4]蘇曉龍， 賈曉軍， 彭堃墀. 基于光場量子態的連續變量量子信息處理[J]. 物理學進展， 2016， 24（4）：142-143.

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