量子网络的构建与应用

吴量，山西工程科技职业大学信息工程学院副教授，系主任，光学专业博士，主要从事光学探测、信息网络构建、量子信息存储等方面的研究工作，主持、参与多项国家项目和省部级项目；发表高水平学术论文10余篇。

1.1 光场的量子化 1

1.1.1 电磁场的量子化 1

1.1.2 海森堡不确定性原理 1

1.1.3 光场量子噪声 2

1.2 非线性光学基础 2

1.2.1 测不准原理 2

1.2.2 线性化算符 3

1.2.3 二次谐波产生过程 3

1.2.4 光学参量放大 5

1.3 量子态光场 7

1.3.1 量子态 8

1.3.2 相干态 13

1.3.3 压缩态 14

1.3.4 压缩态的主要检测方法 20

1.4 PDH 锁定技术 22

1.5 量子信息 24

1.5.1 量子密钥分发 25

1.5.2 量子中继 28

1.5.3 量子存储 28

1.6 本书主要内容及章节安排 32

第2章 紫外光场及单组分压缩态光场 33

2.1 概述 33

2.2 398nm 紫外激光的制备 34

2.2.1 基础理论分析 34

2.2.2 实验装置搭建 36

2.2.3 实验结果测量及分析 37

2.3 795nm 偏振压缩态光场的制备 39

2.3.1 偏振态光场的产生方法 40

2.3.2 压缩态光场的测量 43

2.3.3 795nm偏振压缩实验系统的搭建 46

2.3.4 实验结果测量及分析 50

2.4 本章小结 51

第3章 两组分和三组分偏振纠缠态光场 52

3.1 概述 52

3.2 795nm 两组分偏振纠缠态光场的制备 53

3.2.1 两组分偏振纠缠态理论分析 54

3.2.2 实验系统的搭建 57

3.2.3 实验结果测量及分析 59

3.3 明亮的三组分偏振纠缠态光场制备 60

3.3.1 三组分偏振纠缠理论分析 60

3.3.2 产生明亮的三组分偏振纠缠态实验 65

3.3.3 实验结果测量及分析 67

3.4 三原子系综量子纠缠及量子存储 69

3.4.1 三组分正交纠缠理论分析 70

3.4.2 利用EIT实现量子态由光场向原子系综的映射 73

3.4.3 利用EIT实现量子态由原子系综向光场的映射 75

3.4.4 三组分正交纠缠态光场在原子系综中的量子存储 76

3.5 本章小结 85

第4章 光电探测器设计理论分析 86

4.1 概述 86

4.2 光电探测器的性能衡量 89

4.2.1 信噪比 89

4.2.2 噪声等效功率 89

4.2.3 带宽    90

4.3 常用光电检测器件介绍 90

4.3.1 PN光电二极管的工作原理 90

4.3.2 PIN光电二极管的工作原理 91

4.3.3 PIN光电二极管的基本特性 92

4.4 相关电路噪声分析 93

4.4.1 跨阻放大原理分析 93

4.4.2 跨阻放大电路噪声分析 95

4.4.3 FET晶体管噪声分析 95

4.4.4 其他相关噪声分析 96

4.5 利用自举低噪声光电探测器提升光场压缩度的理论和实验 98

4.5.1 自举低噪声光电探测器电路设计 98

4.5.2 高频PCB设计 102

4.5.3 自举低噪声光电探测器性能测试 103

4.6 本章小结 107

第5章 利用连续变量偏振纠缠态实现量子网络中确定性的纠缠分发 109

5.1 概述 109

5.2 连续变量类GHZ 和类Cluster 四组分正交纠缠态的产生原理 110

5.2.1 连续变量类GHZ态产生原理 111

5.2.2 连续变量类Cluster态产生原理 115

5.2.3 四组分正交纠缠态不可分判据 117

5.3 连续变量类GHZ 和类Cluster 四组分偏振纠缠态的产生与分发 118

5.3.1 连续变量类GHZ四组分偏振纠缠态的产生原理 118

5.3.2 连续变量类Cluster四组分偏振纠缠态的产生原理 120

5.3.3 连续变量类GHZ和类Cluster四组分偏振纠缠态在光纤中的传输 121

5.3.4 四组分偏振纠缠态不可分判据 122

5.3.5 理论计算结果与分析 124

5.4 本章小结 127

参考文献 128

本书稿首先进行与铷原子D1线相匹配的连续变量非经典光场的制备研究，为开展光与原子相互作用研究提供了必须的量子资源；利用电磁感应透明效应执行非经典光场的量子存储，建立了三个铷原子系综之间的量子纠缠，并在三个独立的量子通道中完成纠缠检测。其次，分析了整个系统中存在的不稳定因素，对影响PDH锁定技术稳定性的因素进行了详细研究，并提出了利用自举放大技术，可极大地降低探测器的噪声，并有效提高探测器的信噪比。最后，利用连续变量多组份偏振纠缠开展量子网络中确定定性地纠缠分发研究方案，为下一步开展实用化量子网络研究提供了可行参考。