連續(xù)變量四組份糾纏光場(chǎng)產(chǎn)生和量子保密通信研究報(bào)告

1、.連續(xù)變量四組份糾纏光場(chǎng)產(chǎn)生和量子XX通信研究【摘要】：量子信息是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)技術(shù)界的前沿研究課題，主要研究如何利用量子力學(xué)基本原理及量子態(tài)的特性，如量子糾纏和態(tài)疊加等，完成信息處理、計(jì)算與傳送。量子糾纏是量子力學(xué)最重要的精華內(nèi)容之一，它被認(rèn)為是量子信息和量子計(jì)算的重要資源。利用量子糾纏，人們可以在信息與計(jì)算領(lǐng)域完成經(jīng)典物理不可能完成的工作。利用量子糾纏，通訊雙方可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)量子態(tài)的高保真度遠(yuǎn)程傳輸，即量子離物傳態(tài)；利用量子糾纏，通信雙方可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典信息的高信道容量傳輸，即量子密集編碼；甚至可以使原本不糾纏的量子系統(tǒng)在不直接相互作用的情況下產(chǎn)生糾纏，即量子糾纏交換。量子力學(xué)的諸多特性也應(yīng)用到

2、XX通信當(dāng)中，可以從物理層面上達(dá)到真正意義的XX，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的量子密鑰分發(fā)(Quantumkeydistribution，QKD)。各種利用量子糾纏的量子密鑰分發(fā)方案，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用潛力的量子密鑰分發(fā)方案，不僅有基礎(chǔ)研究意義，而且有很強(qiáng)的應(yīng)用需求。量子信息科學(xué)根據(jù)所利用的量子變量的本征態(tài)具有分離譜或是連續(xù)譜結(jié)構(gòu)區(qū)分為分離變量與連續(xù)變量?jī)纱箢?，連續(xù)變量和分離變量量子信息有著不同的特點(diǎn)與應(yīng)用前景，各具特色，目前正在平行發(fā)展。量子信息研究先從分離變量開始，隨后被擴(kuò)展到連續(xù)變量領(lǐng)域。連續(xù)變量量子通信具有比特速率高等潛在優(yōu)越性，近十年引起廣泛的研究興趣。但與分離變量相比，

3、連續(xù)變量量子通信的實(shí)驗(yàn)研究仍相對(duì)滯后。雖然已利用連續(xù)變量?jī)山M份Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏實(shí)現(xiàn)了無(wú)條件量子態(tài)離物傳送、量子密集編碼及量子糾纏交換等量子通信的重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，然而發(fā)展量子信息的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)量子信息網(wǎng)絡(luò)。獲得多組份糾纏態(tài)是下一步發(fā)展量子信息網(wǎng)絡(luò)的基本工作之一。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1設(shè)計(jì)了連續(xù)變量四組份類Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)糾纏態(tài)和類Cluster糾纏態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)，并完成了產(chǎn)生四組份類GHZ糾纏態(tài)和類Cluster糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究。利用一對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)于參量反放大狀態(tài)的非簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大器，產(chǎn)生的四個(gè)正交分量壓縮態(tài)光

4、場(chǎng)(兩束正交振幅壓縮光，兩束正交位相壓縮光)，經(jīng)適當(dāng)?shù)木€性光學(xué)變換與量子非破壞(Quantumnondemolition，QND)耦合，通過對(duì)耦合光相對(duì)位相的控制，既產(chǎn)生了四組份類GHZ糾纏態(tài)，也產(chǎn)生了四組份類Cluster糾纏態(tài)。(PhysRevLett98，070502(2007)；“中國(guó)科學(xué)”已接受)2提出一種利用明亮的EPR糾纏光束完成連續(xù)變量密集編碼量子XX通信的方案。糾纏源被放置在接收者處，僅利用糾纏光束的一束(信號(hào)光)往返傳輸信息，而另一束光場(chǎng)(閑置光)被接收者保留用于解調(diào)信息。信息發(fā)送者同時(shí)將振幅和位相信號(hào)調(diào)制到信號(hào)光場(chǎng)上，然后將其返回到接收者處，接收者利用連續(xù)變量量子密集編碼

5、關(guān)聯(lián)測(cè)量解調(diào)信號(hào)，因此信道容量被大大的提高。該方案可以直接利用量子糾纏突破連續(xù)變量量子XX通信的3dB損耗極限(PhysRevA74，062305(2006)3直接利用光場(chǎng)的EPR關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變量量子XX通信。通信雙方共享一對(duì)明亮的EPR糾纏光束，隨機(jī)選擇測(cè)量各自所擁有的光場(chǎng)的正交振幅或正交位相分量，并利用各分量間的量子關(guān)聯(lián)建立密鑰。此方案無(wú)需信號(hào)調(diào)制，通過量子起伏的局域測(cè)量和公開比對(duì)建立密鑰和發(fā)現(xiàn)竊聽者。從信息理論證明了方案的安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，我們的裸碼速率可達(dá)1×107bits。(Paperinpreparing)4利用運(yùn)轉(zhuǎn)于閾值以上的非簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器，制備了強(qiáng)度高達(dá)2

6、2row的頻率非簡(jiǎn)并糾纏態(tài)光場(chǎng)。用非平衡Mach-Zehnder干涉儀所測(cè)得的正交振幅與正交位相的量子關(guān)聯(lián)度分別為1.25dB和0.60dB。該方法提供了制備和檢測(cè)頻率可調(diào)諧高亮度糾纏態(tài)光場(chǎng)的有效途徑。(OptLett31，1133(2006)所完成的有所創(chuàng)新的研究工作如下：1設(shè)計(jì)了連續(xù)變量四組份類GHZ糾纏態(tài)和類Cluster糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生系統(tǒng)，從理論上推導(dǎo)出四組份類Cluster糾纏態(tài)的完全不可分判據(jù)，計(jì)算了四組份糾纏對(duì)實(shí)驗(yàn)參量的依賴關(guān)系。首次從實(shí)驗(yàn)上獲得了上述兩類四組份糾纏態(tài)光場(chǎng)。2提出利用明亮EPR糾纏光束，通過雙向傳輸實(shí)現(xiàn)連續(xù)變量密集編碼量子XX通信的方案，通過理論計(jì)算證明了在高糾

7、纏度下直接突破3dB損耗極限的可能性。3提出一種利用EPR關(guān)聯(lián)，無(wú)需信號(hào)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變量量子XX通信的新方案，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方案的可行性。4利用運(yùn)轉(zhuǎn)于閾值以上的非簡(jiǎn)并光學(xué)參量振蕩器，制備了強(qiáng)度高達(dá)22mW的頻率非簡(jiǎn)并糾纏態(tài)光場(chǎng)，并利用一對(duì)非平衡Mach-Zehnder干涉儀測(cè)定了光場(chǎng)的糾纏度?！娟P(guān)鍵詞】：連續(xù)變量量子糾纏四組份類Cluster和類GHZ糾纏態(tài)非簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大器連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)非平衡Mach-Zehnder干涉儀【學(xué)位授予單位】：XX大學(xué)【學(xué)位級(jí)別】：博士【學(xué)位授予年份】：2007【分類號(hào)】：O431.2【目錄】：目錄5-13摘要13-16ABSTRACT16-20第

8、一章緒論20-291.1信息科學(xué)與物理學(xué)20-211.2量子糾纏及其研究進(jìn)展21-231.3量子信息研究進(jìn)展23-29第二章量子信息基礎(chǔ)知識(shí)29-682.1量子信息的量子力學(xué)基礎(chǔ)29-322.1.1量子力學(xué)的基本假設(shè)29-302.1.2量子態(tài)疊加原理302.1.3測(cè)不準(zhǔn)原理30-312.1.4量子不可克隆定理31-322.2量子光學(xué)模型32-382.2.1量子噪聲和壓縮32-342.2.2線性化算符34-352.2.3量子邊帶表象35-382.3量子糾纏38-502.3.1糾纏38-402.3.2連續(xù)變量糾纏態(tài)的產(chǎn)生40-432.3.3連續(xù)變量糾纏光場(chǎng)的探測(cè)43-462.3.4兩組份糾纏判據(jù)4

9、6-492.3.5多組份糾纏49-502.4量子XX通信基礎(chǔ)知識(shí)50-572.4.1信息熵51-522.4.2互信息量52-542.4.3安全密鑰速率542.4.4BB84QKD方案54-562.4.5連續(xù)變量QKD中的3dB損耗限制56-572.5常見的量子操作57-592.5.1單量子比特門57-582.5.2量子受控非門58-592.6常見的量子信息技術(shù)59-682.6.1量子密集編碼59-612.6.2量子離物傳態(tài)61-642.6.3量子糾纏交換64-652.6.4可控密集編碼量子通信65-662.6.5量子態(tài)秘密共享66-68第三章連續(xù)變量四組份GHZ和Cluster糾纏光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生

10、68-1003.1引言68-693.2類GHZ和類Cluster四組份糾纏態(tài)的產(chǎn)生原理69-813.2.1NOPA輸出光場(chǎng)的壓縮特性69-703.2.2類GHZ四組份糾纏態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)70-733.2.3類Cluster四組份糾纏態(tài)產(chǎn)生系統(tǒng)73-753.2.4四組份糾纏態(tài)不可分判據(jù)75-773.2.5數(shù)值計(jì)算和結(jié)果77-813.3連續(xù)變量四組份Cluster和GHZ糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置81-943.3.1激光器82-833.3.2NOPA腔83-843.3.3頻率及位相鎖定84-923.3.4四組份糾纏光場(chǎng)的產(chǎn)生92-933.3.5四組份糾纏光場(chǎng)的探測(cè)93-943.4連續(xù)變量四組份糾纏態(tài)光場(chǎng)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)步

11、驟及實(shí)驗(yàn)結(jié)果94-993.4.1四個(gè)壓縮態(tài)光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)制備94-963.4.2連續(xù)變量類GHZ四組份糾纏態(tài)光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)制備96-983.4.3連續(xù)變量類Cluster四組份糾纏態(tài)光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)制備98-993.5結(jié)論99-100第四章基于連續(xù)變量糾纏的密集編碼量子密鑰分發(fā)100-1184.1引言100-1034.2連續(xù)變量密集編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)103-1054.3安全性分析105-1144.3.1量子分束攻擊的安全性分析105-1114.3.2截獲再轉(zhuǎn)發(fā)攻擊的安全性分析111-1144.4方案可行性的實(shí)驗(yàn)證明114-1174.5結(jié)論117-118第五章利用EPR糾纏實(shí)現(xiàn)無(wú)信號(hào)調(diào)制的量子密鑰分發(fā)118-1265.1引言1185.2量子密鑰分發(fā)原理118-1205.3量子密鑰分發(fā)方案安全性分析120-1235.4量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)123-1255.5結(jié)論125-126第六章高亮度頻率非簡(jiǎn)并糾纏態(tài)光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)制備與探測(cè)126-1386.1引言126-1276.2OPO噪聲特性127-1306.2.1穩(wěn)態(tài)解1286.2.2強(qiáng)度差噪聲特性128-1306.2.3位相和噪聲特性130