1、窄带宽非经典光子态的实验研究窄带宽非经典光子态的实验研究研究生研究生：导导 师师：主要内容主要内容1.窄带非经典光子态窄带非经典光子态2.自发参量下转换自发参量下转换3.利用利用I型型PPKTP晶体晶体制备制备双光子对双光子对4.制备制备窄带宽的非经典光子态窄带宽的非经典光子态5.I型型PPKTP晶体倍频特性研究晶体倍频特性研究6.量子光学方向理论研究量子光学方向理论研究7.结论与展望结论与展望福州大学硕士学位论文答辩1.1简介简介 1967年年，Cornell大学的大学的Magde和Mahr首先在实验上观首先在实验上观察到自发参量下转换察到自发参量下转换（SPDC）现象。由于现象。由于SPD
2、C产生的两产生的两个光子优良特性，被广泛应用在量子信息科学中。个光子优良特性，被广泛应用在量子信息科学中。SPDC的主要应用：的主要应用：1.制备非经典光子态，如压缩光子态和纠缠态（偏振、动量、制备非经典光子态，如压缩光子态和纠缠态（偏振、动量、轨道角动量）；轨道角动量）；2.量子力学非局域性检验；量子力学非局域性检验；3.量子克隆；量子克隆；4.量子隐形传态和远程量子通信相关实验；量子隐形传态和远程量子通信相关实验；5.量子逻辑操作实现；量子逻辑操作实现；6.多光子纠缠态的制备。多光子纠缠态的制备。福州大学硕士学位论文答辩1.窄带非经典光子态窄带非经典光子态量子中继量子中继量子纠缠交换和纠缠
3、纯化技术量子纠缠交换和纠缠纯化技术量子存储技术量子存储技术量子通信网络量子通信网络福州大学硕士学位论文答辩1.1简介简介窄带宽非经典光子窄带宽非经典光子光子与原子高效耦合的条件：光子与原子高效耦合的条件：光具有光具有与原子自然线宽可以相比拟的带宽与原子自然线宽可以相比拟的带宽。窄带宽非经典光子窄带宽非经典光子光量子信息在传输过程的衰减和退相干问题光量子信息在传输过程的衰减和退相干问题量子量子信息应用信息应用USTC GuoOptic.Lett 33,2191(2008)1999200620072008MIT ChristopherPRL 97,223601(2006)Humboldt Univ
4、ersity Benson Appl.Phys.Lett.91,191104(2007)Purdue University Z.Y.OuPRL.83,2556(1999)PRA.62,033804(2000)USTC PanPRL.101,190501(2008)福州大学硕士学位论文答辩2009 Humboldt University Benson PRL 102,063603(2009)Appl.Phys.Lett.94,201105(2009)1.2窄带非经典光子对的研究现状窄带非经典光子对的研究现状USTC PanPRA.80,042321(2009)2.自发参量下转换自发参量下转换福州
5、大学硕士学位论文答辩2.1相位匹配与准相位匹配相位匹配与准相位匹配相位匹配：相位匹配：型：型：pispiskkkp 自发参量下转换SPDC过程中，一束频率为 的泵浦光与非线性晶体相互作用，以一定的概率产生下转换光子，其中一束称为闲散光 ，另一束称为信号光 。自发参量下转换过程是泵浦光，信号光，闲散光在非线性晶体中的三波混频过程，满足能量守恒定律，我们称之为“相位匹配”条件，表示为：iseooeoe福州大学硕士学位论文答辩2.1相位匹配与准相位匹配相位匹配与准相位匹配准相位匹配：准相位匹配：准相位匹配（QPM）最早由Bloembergen教授于1962年提出。根本思想是通过周期性改变非线性系数来
6、弥补由于晶体折射率色散引起的波矢失配，得到位相匹配。QPM过程的相位失配关系为：2Qpsimkkkkm对于一阶共线的QPM过程，有12Qpsikkkk准相位匹配条件为：2=0Qpsimkkkkm12=0Qpsikkkk一阶共线准相位匹配条件为：福州大学硕士学位论文答辩2.2 Cavity-Enhance SPDC2.2.1双谐振OPO腔理论 窄带宽非经典光子是窄带宽非经典光子是腔增益下转换过程的产物，而腔增益下转换过程是由SPDC过程过程与OPO相结合构成的。01010()()()()outininaGaga 对于简并OPO谐振腔在远低于阈值时，其输出光场算符可以表示为：2020()()()i
7、ninGbgb 1211222iGi 1121242gi 1221222Gi 12221242gi 其中：2.2.1双谐振OPO腔理论福州大学硕士学位论文答辩腔内下转换率为：1()()2outoutcavityREt Etd S22112202221216124cavityRdFtF腔外的下转换率为：2sin2glepassIFR可以得到每个模式的平均增益因子为：30sinresonanceOPOgle passIFRBFFR2.2.1双谐振OPO腔理论福州大学硕士学位论文答辩多模输出下转换光子对的强度互相关函数为：2,2=Et EtEtEt单模输出下转换光子对的强度互相关函数为：定义下转换光
8、子对的强度互相关函数为：22,2112221=()()2iGgGged1220=F Fe 121.391.39copoT得到两个光子的相干时间为：22,22,22,2sin21=21RRTobsmulgleTRdNT 2,2single其中 是单模情况下的强度互相关函数。福州大学硕士学位论文答辩2.2 Cavity-enhance SPDC2.2.2单谐振OPO腔理论该过程的相互作用哈密顿量为：int,2mmmHiddFai .i mtIbeH c 其中：,0;,;,PS mIi kkkPmImlPSIFdxel 0;,8SIPPSISIiEcAn n ,222,rg SLllTTvc2.2.
9、2单谐振OPO腔理论福州大学硕士学位论文答辩双光子产生率满足：2200sin42PSImSIEcmcAn n 其中：0,g Ig Sllvv信号光与休闲光的二阶相关函数可以表示为：0020220jTISjeifjTGelse其中：jT2T3.制备制备双光子对双光子对福州大学硕士学位论文答辩3.1实验方案实验方案 实验中，我们采用I型参量下转换过程产生光子对，使用半导体紫光激光器，中心波长为405 nm，最大输出功率为13.5 mw，泵浦PPKTP晶体，晶体规格：1210mm。晶体满足准相位匹配条件，通过调节晶体温度实现相位匹配，产生的两束波长为810nm的下转换光与405 nm的泵浦光共线，采
10、用单模光纤SMF对产生的参量光进行收集。福州大学硕士学位论文答辩(a)下转换光波长与最佳匹配温度的理论关系图PPKTP晶体（810nm）(b)理论计算的下转换光谱线图PPKTP晶体（810nm）(a)(b)理论分析理论分析福州大学硕士学位论文答辩3.2实验结果实验结果(a)泵浦光波长为405.95nm，功率为2.1mW时，单路计数与符合计数随温度的变化曲线图 从图(a)中我们可以看出，此时晶体对应的最佳匹配温度为49.4。在该温度下，测得符合计数的值最大为1926cps，此时单路计数分别为55397cps，57934cps。我们得到它的符合计数效率为:123.4%measureCCRS S其中
11、单路计数率为S1和S2，符合计数率为RCC。(a)福州大学硕士学位论文答辩(b)泵浦光波长为406.05nm,功率为2.6mW时，单路计数与符合计数随匹配温度的变化曲线图 从图(b)中可以看出，此时最佳匹配温度在49.8的位置。这一结果表明，晶体下转换过程的最佳匹配温度随着泵浦光的波长的增大而升高，这与理论计算的下转换光波长与最佳匹配温度的理论关系符合的很好。(b)4.制备制备窄带宽非经典光子态窄带宽非经典光子态福州大学硕士学位论文答辩4.1实验方案实验方案 实验中，为了制备窄带非经典光子态，我们在已完成的利用I型参量下转换过程产生光子对的实验基础上，加上外腔构成腔增益下转换过程。由于未在其中
12、加入相应的滤波腔，所以实验中由双谐振OPO得到多模窄带宽非经典光子。其中拟采用H-C方案来实现腔的锁定。福州大学硕士学位论文答辩4.2实验结果与分析实验结果与分析 实验中测得无外腔时多模单路计数为60Kcps，加腔后的多模单路计数最大为40Kcps，最大符合计数为75cps。由于时间关系及客观条件的限制，目前实验中的OPO腔没有完成锁定。测量过程中的计数率不稳定，没有测得双光子的时间关联关系。通过实验方案的改进，在后续的实验中将继续完成腔的锁定，得到810nm的窄带非经典光子态。5.I型型PPKTP晶体倍频特性晶体倍频特性福州大学硕士学位论文答辩5.1实验方案实验方案 上面左图为PPKTP晶体
13、倍频实验装置图。实验中利用780nm的激光泵浦PPKTP晶体倍频得到390nm的紫外光。晶体规格：1210mm。由于倍频过程泵浦的基频光和产生的倍频光是共线的，所以在其中加入棱镜进行分光，利用光功率计来探测产生的倍频光的功率。福州大学硕士学位论文答辩(B)理论计算的基频光波长与晶体温度的关系。(A)倍频光场的强度与其在晶体中传播距离的关系图理论分析理论分析(A)(B)福州大学硕士学位论文答辩5.2实验结果与分析实验结果与分析(1)基频光功率为Pin=119.0mW，波长2=781.12nm情况下，T=34.0,PSH2=1.215uW(2)基频光功率为Pin=120.7mW，波长1=781.7
14、9nm情况下，T=47.0,PSH1=1.180uW6.量子光学方向理论研究量子光学方向理论研究福州大学硕士学位论文答辩6.1理论模型理论模型双J-C模型下两个腔场贝尔非定域性的演化特性 1112221()()()2ABAABBtotzzHg aagaa系统总的哈密顿量为：赝自旋算符：0 21 2122,znsnnnn0221(),nsnns2,xysiss acossin(),aaiizaasseses 12121212(a)()(a)()(a)()(a)()CHSHBsb ssb ssb ssb s基于Pseudospin算符的 Bell-CHSH 算符：福州大学硕士学位论文答辩系统初态为
15、：12121(cossin)totfieldatomggN 421 sin2Ne 其中：()()CHSHCHSHBt Bt CHSHB的期望值定义为：12121212 ()()()()()()()()a sb sa sb sa sb sa sb s2214328()()(cossin),CHSHbbeBNNNNUN226571432()()()NNNUNNNN的最大值为：CHSHB2221432max8()()1CHSHeBNNNNUN福州大学硕士学位论文答辩6.2数值计算及模拟结果数值计算及模拟结果6.2.1.失谐效应The evolution of the in a short time,
16、with The maxima of versus time for maximally entangled coherent states with CHSHBmaxCHSHB10,10;g 20,0;20,10;g 20,50;10,50gg 20,10,20gg 福州大学硕士学位论文答辩6.2.2.耦合强度不等性当原子与场的耦合强度不等时系统态演化为：1111101()coscossin1nnAAntCgnt gniCgnt enN122220cossin1nnBBnCgnt gniCgnt en111110sincossin1nnAAnCgnt gniCgnt en212220coss
17、in1nnBBnCgnt gniCgnt enThe maxima of versus time for entangled coherent states with CHSHB15,1;15,0.521gg 7.结论与展望结论与展望 福州大学硕士学位论文答辩 本论文通过对国内外窄带宽非经典光子的实验研究现状的调研，提出了本课题的实验研究方案，利用I型PPKTP晶体腔增益下转换过程来制备窄带非经典光子。首先，我们完成了利用I型PPKTP晶体腔外下转换过程产生双光子对的实验，通过紫光激光泵浦I型PPKTP晶体，产生两束简并且共线的下转换光子。同时，我们从理论上分析了晶体准相位匹配温度特性及产生的
18、下转换光子谱线特点。实验中，利用单模光纤收集产生的下转换光子，当泵浦光波长为405.95nm，功率为2.1mw，晶体温度为49.4时，单路计数分别为55397cps，57934cps，两光子符合计数值为1926cps，符合计数效率为3.4。这里的转换效率较低，为了能得到在量子信息实验中可以很好的应用的光子强度，需要应用其他手段来提高转换效率。其中利用腔增益下转换过程就是一种很好的手段。7.结论与展望结论与展望福州大学硕士学位论文答辩 接着，我们根据设计好的方案进行制备窄带宽非经典光子态的实验。实验中，在双光子态产生实验的基础上加入外腔来构成腔增益下转换过程装置。实验中拟选用H-C的方案进行腔锁
19、定。实验中测得多模输出时的最大单路计数为40Kcps，符合计数为75cps。由于时间关系及实验仪器客观条件所限，腔锁定部分没有实现，无法得到预期的双光子的关联关系。由此无法得到产生的光子的带宽信息。另外，我们在实验上研究了I型PPKTP晶体的腔外倍频的特性。其中我们从理论上分析了I型PPKTP晶体倍频的基本原理，通过与其他倍频晶体比较，得出周期性极化的晶体其倍频转换效率都比较高，而要得到高亮度的倍频光，行之有效的方法是采用腔内倍频方法来实现。转换效率可以达到7080%。7.结论与展望结论与展望福州大学硕士学位论文答辩 最后，在量子光学理论方向也做了相关的研究，讨论在双J-C模型下的两个腔场贝尔
20、非定域性的演化特性，其中主要讨论失谐量，场与原子耦合强度的不等性对场贝尔非定域性的影响。通过本课题的研究，我们对于PPKTP晶体相位匹配特性，倍频特性，及窄带宽非经典光子的相关理论及实验实现方法有了更深的理解。其中窄带宽非经典光子态产生实验还未完成，在以后的研究中，可以通过改进实验方案来完成实验获得性质良好的窄带宽的非经典管光子。在后续的实验研究中，将考虑改变实验方案来获得窄带宽的单模纠缠光子，并利用该纠缠源进行相应的量子通信研究。参考文献参考文献福州大学硕士学位论文答辩1C.H.Bennett,G.Brassard,C.Crepeau.et.al,Phys.Rev.Lett.70,1895(
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22、and Y.J.Lu,Phys.Rev.A 62,033804(2000).9Haibo Wang,Tomoyuki Horikiri,and Takayoshi KobayashiPhys.Rev.A 70,043804(2004)10Kuklewicz，CE，Wong，FNCand Shapiro，JH Phys.Rev.Lett.97，22360l(2006)11M.Scholz,F.Wolfgramm,U.Herzog,and O.Benson,Appl.Phys.Lett.91,191104(2007)12Fu-Yuan Wang,Bao-Sen Shi,*and Guang-Can
23、 Guo,optics letters.vol.33,2191(2008)13Bao.X.-H，Qian.Y.Yang，Jet.al,Phys.Rev.Lett.101，190501(2008)14Matthias Scholz,*Lars Koch,and Oliver Benson,Phys.Rev.Lett.102,063603(2009)15J.K.Thompson,J.Simon,H.Loh,and V.Vuletic,Science313,74(2006).16Z.-S.Yuan et al.,Phys.Rev.Lett.98,180503(2007).17 E.D.Black,A
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25、f two JaynesCummings atoms,J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys.39,S621(2006).22 J.H.Eberly,T.Yu,The End of an Entanglement,Science 316,555(2007).参考文献参考文献福州大学硕士学位论文答辩23 P.Marek,J.Lee,M.S.Kim,Vacuum as a less hostile environment to entanglement,Phys.Rev.A 77,032302(2008).24 J.P.Paz,A.J.Roncaglia,Dynamics of the
26、Entanglement between Two Oscillators in the Same Environment,Phys.Rev.Lett.100,220401(2008).25 Feng Han,Yunjie Xia,Sudden death of entanglement in the two-mode cavity field,Chin.Opt.Lett.8,231(2009).26 M.P.Almeida,F.de Melo,M.Hor-Meyll,A.Salles,S.P.Walborn,P.H.Souto Ribeiro,L.Davidovich,Environment-
27、Induced Sudden Death of Entanglement,Science 316,579(2007).27 J.Laurat,K.S.Choi,H.Deng,C.W.Chou,H.J.Kimble,Heralded Entanglement between Atomic Ensembles:Preparation,Decoherence,and Scaling,Phys.Rev.Lett.99,180504(2007).28 G.Jaeger,K.Ann,Local basis-dependent noise-induced Bell-nonlocality sudden de
28、ath in tripartite systems,Phys.Lett.A 372,2212(2008).29 Qing Yang,Ming Yang,Zhou-liang Cao,Cavity-loss-induced Bell-nonlocality sudden death in the TavisCummings model,Phys.Lett.A 372,6843(2008).30 C.L.Luo,C.G.Liao,Z.H.Chen,The collapse and revival of Bell-nonlocality of two macroscopic fields interacting with resonant atoms,Opt.Commun.283,3168(2010).31 Zeng-Bing Chen,Jian-Wei Pan,Guang Hou,Yong-De Zhang,Maximal Violation of Bells Inequalities for Continuous Variable Systems,Phys.Rev.Lett.88,040406(2002).致谢致谢福州大学硕士学位论文答辩 实验室的同学们 我的家人 我的朋友们
