连续变量光场量子态高保真度频率变换的实验研究

在基于光场和原子系统的量子信息网络中，光场量子态需要在不同的载波波长之间进行高保真度相互转移，例如从基于碱金属原子的量子存储器波长0.8微米转移到远程通信波长1.5微米，能够实现该功能的量子接口可以将不同工作波长的量子器件相互连接起来，是量子信息网络的重要组成部分。本课题拟对能够实现连续变量光场量子态频率下转换功能的量子接口进行实验研究，并实验实现连续变量光场量子态的频率下变换。拟利用基于谐振腔增强的二阶非线性光学频率变换过程，在810nm低噪声强相干场抽运下，将载波为532 nm的连续变量光场量子态（相干态，正交压缩态）高保真度频率下变换到载波为1550 nm的光场量子态；并研究不同类型连续变量光场量子态的频率变换保真度随着非线性转换效率的依赖关系，相干抽运场的振幅和相位噪声特性对量子态频率变换保真度的影响机制等。本项目的实施对于分布量子计算、远程量子通信等具有重要意义。

对于基于光场和原子系统的量子信息网络，量子态需要在不同的物理载体之间进行高保真度的相互转移，例如，在量子信息网络中，量子态需要在不同载波波长的光场之间进行转移，即光场量子态的频率变换，能实现这种功能的量子接口是量子信息网络的重要组成部分。本项目对于连续变量光场量子态的频率下转换机制进行了深入的理论和实验研究，提出了对抽运光场振幅和相位起伏噪声不敏感的高保真度、宽带连续变量光场量子态频率下转换方案，并在实验上得到了验证，实现了相干态、正交振幅压缩态光场的高保真度量子态频率下转换，为量子信息网络中连续变量光场量子态的量子接口实现奠定了基础；围绕课题研究，进行了耦合光学参量放大器/光学参量振荡器制备高品质“双色”连续变量纠缠态光场、高品质“双色”连续变量纠缠态光场的鲁棒性制备、双色连续变量纠缠态光场的连续调谐及远程纠缠分发，以及远程连续变量量子密钥分发的研究工作。课题的研究结果为光场量子态的制备、操控以及量子保密通信提供了新的有效方法和途径，积极促进了量子光学和量子信息科学的发展和应用化进程。