光力学系统中多组份纠缠态的产生

Quantum entanglement, is an important resource in quantum information process, quantum computation and quantum network. Preparation of multipartite entangled state is playing a key role to realize the quantum information processing task. The mechanical oscillator in optomechanical system, which can couple with electro-magnetic field of any frequency, makes it possible to entangle those electro-magnetic fields with different frequency. We mainly study the following parts:1) The scheme of generating tripartite entangled optical fields from a cascade optomechanical system; 2) The scheme of generating tripartite entangled optical and microwave fields from a cascade optomechanical system; 3) The scheme of generating N+1-partite entangled states from N optomechanical cascade system, and the entanglement distribution among each partite; 4)The design of other optomechanical system to generate multipartite entangled states(multipartite mechanical states or multipartite optical states). This project will helpful to provide feasible theoretical scheme and lay a solid foundation to the further experimental realization.

量子纠缠是量子信息处理、量子计算和构建量子网络过程中一种非常重要的量子资源。制备多组份纠缠光场，对于实现量子信息处理任务，具有重要的意义。光力学系统中的力学振子，可以与几乎任何频段的电磁场耦合，从而使得制备不同频段电磁场的纠缠态成为可能。本项目主要研究以下内容：1) 级联光力学系统中产生三组份连续变量纠缠光场的方案; 2) 级联光力学系统中三组份光场和微波场纠缠态的方案; 3) 级联N个光力学系统产生N+1组份纠缠态的方案，以及多模纠缠态之间各组份的纠缠分配问题; 4) 研究设计产生多组份纠缠态（多组份力学模纠缠态或多组份纠缠光场）的其他光力学系统。本项目的研究工作将提供实验可行的方案，为进一步实验实现打下坚实的基础。

量子纠缠是量子信息处理、量子计算和构建量子网络过程中非常重要的量子资源，制备多组份纠缠光场是实现各种量子信息处理任务的核心要素。不同物理系统作为量子计算、量子存储、量子通信的“节点”，以力学振子为中介，可以构成混合量子网络。项目资助期间主要完成了以下工作：1）基于不同条件下（单泵浦、双泵浦、分束器耦合、加入非线性晶体）的光力学系统，我们提出了产生四组份、六组份、及大尺度纠缠态的方案并详细研究了纠缠及纠缠结构的参数依赖性，这对于未来在实验上产生和操控这些纠缠态提供了重要的理论依据； 2）基于光力学系统和四波混频过程，我们研究了对应的三组份和六组份量子导引，作为一种特殊的量子纠缠，量子导引具有天然不对称性，可以用于更加安全的量子通信，我们首次利用矩阵来直观地表示导引关系和单配性关系，我们研究了IV型单配性关系的条件性和多组份集体导引的参数范围，这些研究结果为实现更加安全的量子通信任务、构建可调控的超安全量子网络提供了新的可能性； 3）基于两个LG模泵浦的单个OPO参量放大过程，我们构建了包含空间和频率模式的大尺度纠缠态光场，证实了Cluster纠缠态的产生及其完全双色性，研究发现不同压缩阈值下会呈现不同的纠缠结构，该方案可实现的纠缠组份数可达10^3-10^4； 4）充分利用纠缠的每个自由度的每个模式，我们提出了在时域和频域上产生一维和三维大尺度连续变量 cluster态的方案，分析了在现有实验条件下该方案的纠缠模式数可以达到106~1010，产生的一维和三维 cluster态可以用于实现单模和双模MBQC，进一步与高效编码和量子纠错相结合还可以实现容错量子计算和拓扑保护的MBQC。