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纠缠光场的频率变换与TTPC纠缠态的产生 【摘要】：量子信息与量子计算是利用量子力学系统完成信息的处理与传送。量子信息与量子计算研究不仅具有广阔的应用前景,而且能够加深我们对量子力学基本原理的认识与理解。在量子计算与量子信息处理中,量子纠缠起着至关重要的作用。量子纠缠是量子力学为人类信息科学的发展所提供的“天然资源”。制备多组分纠缠态是发展量子计算与量子信息网络的前提,而执行纠缠光的频率变换,又是完成量子信息存储与信息交换的技术手段之一。就读博士期间,本人对连续变量纠缠态光场的频率变换方法进行了理论研究。继后,又完成了四组分纠缠态光场产生实验,获得TTPC四组分纠缠态。最后,设计了两类基于四组分纠缠的量子逻辑门,为执行连续变量量子计算作了前期准备。本论文的主要研究内容如下:1分析了内腔非线性和频过程在纠缠态频率变换过程中的量子特性。计算表明信号光在内腔非线性作用下改变频率,其量子特性可以保持不变。频率变换后的输出光束仍然与初始纠缠光束的另一半保持纠缠。计算了变频后光场的量子关联谱和纠缠度随初始压缩因子、系统光学损耗以及和频腔泵浦能量等物理参量的变化关系,为量子通讯网络实验系统的设计提供了具体参考。2实验产生了一种新类型的、到目前为止还没有qubit对应的、不同于GHZ态和Cluster态纠缠类型的连续变量四组分纠缠态。以实验可测参量为基础,推导了表征这类纠缠的完全不可分判据。与包含部分二组分关联的GHZ和Cluster四组分纠缠态判据不同,在这种新类型纠缠态的三个判据不等式中,所有正交振幅和正交位相的关联方差,均包含四个纠缠模中的三个组分,因此我们称之为完全三组分关联态,即TTPC(totallythree-partycorrelation)态。3理论证明利用TTPC纠缠态可以实现受控非门(CNOT)逻辑运算,并设计了相应的实验方案。目前实验工作正在进行。4设计了以线性Cluster四组分纠缠态为基本量子系统,执行各种One-way量子逻辑运算的实验方案。数值模拟了有噪声情况下可能得到的实验结果。所完成的有所创新的研究工作如下:1从理论上证明了通过内腔非线性和频过程,对纠缠光束执行频率变换,可以保持初始的正交振幅和正交位相纠缠。数值计算了关联谱和纠缠度随和频腔各种物理参量的变化关系,为今后量子通讯网络系统的设计提供了理论参考。2实验产生了一种到目前为止还没有qubit对应的新类型连续变量四组分纠缠态,推导了验证此类量子纠缠的完全不可分判据。最后的实验结果符合纠缠态完全不可分判据要求。3设计了以连续变量四组分纠缠TTPC和Cluster态为基础,执行量子逻辑运算的实验方案,从理论上证明了方案的可行性。【关键词】：连续变量量子纠缠频率变换连续变量TTPC四组分纠缠态量子逻辑门和频非线性作用 【学位授予单位】：山西大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2008 【分类号】：O431.2 【目录】：摘要9-11Abstract11-14第一章引言14-16第二章量子信息与量子计算中的基本概念16-442.1量子光学的基本概念16-262.1.1光场的量子力学描述16-192.1.2量子化光场的非线性过程19-232.1.3量子化光场的线性变换23-242.1.4量子化光场的探测24-262.2量子信息的物理基础26-322.2.1量子纠缠26-302.2.2量子态叠加原理30-312.2.3量子不可克隆31-322.3量子计算的基本概念32-372.3.1量子比特Qubit33-342.3.2量子逻辑门34-352.3.3量子算法35-362.3.4量子计算的物理实现36-372.3.5通用量子计算372.4光量子计算机的一些研究进展37-442.4.1KLM线性光学量子计算(LOQC)39-412.4.2ClusterOne-way量子计算41-44第三章连续变量纠缠态频率变换的理论研究44-573.1引言44-453.2连续变量纠缠态频率变换的物理模型45-483.2.1EPR纠缠源的产生463.2.2和频过程46-483.3和频腔中光场量子起伏的半经典解48-493.4频率变换后的量子纠缠特性49-563.5小结56-57第四章连续变量TTPC四组分纠缠态的实验产生57-804.1引言57-604.2产生连续变量TTPC四组分纠缠态的理论方案60-634.3产生连续变量TTPC四组分纠缠态的实验装置63-754.3.1具有经典相干性的两组EPR纠缠光场的实验产生64-714.3.2π/2位相差锁定71-734.3.3平衡零拍探测73-754.4连续变量TTPC四组分纠缠态的实验产生75-794.5结论79-80第五章利用连续变量四组分纠缠态实现量子逻辑门的理论研究80-1025.1引言80-815.2连续变量Cluster