基于光学频率梳的大尺度纠缠态光场产生及应用

Quantum entanglement is the core resource of quantum information processing. And large scale entangled optical fields (n: more than hundreds of modes) will play a key role for the actual establishment of quantum computation and quantum information, because of its good quantum coherence, containing many subsystems, multi-channel quantum correlation of noise, application of building large quantum register, etc. So how to prepare large scale entangled optical fields effectively has become a hot issue recently. Generating large-scale entangled optical fields with a frequency comb structure via an optical parametric amplifier based on the nonlinear optical parametric process is one of the effective schemes. This project plans to use the laser of 780nm, which is obtained by SHG, to pump a specially designed optical parametric oscillator, then produce optical frequency comb; Experimental study of 100 component cluster entangled fields with the center wavelength 1560nm may be carried out, and we will also discuss the quantum dynamical properties of the system. We will use the methods of the frequency selective balanced homodyne detection and space separation simultaneous detection to measure the quantum noise. And quantum measurement scheme based on this kind of entanglement will be studied. Through this project, we can establish the system of large scale continuous variables entanglement preparation and study the application based on this system。

量子纠缠是量子信息过程中的核心资源，其中组份很多的大尺度纠缠光场（n：成百上千以上）由于具有量子相干性好、子系统多、噪声的多通道量子关联、能构建庞大的量子寄存器等优点，对量子计算、量子信息及量子测量起着关键性作用。因此有效制备大尺度纠缠态光场已成为人们关注的热点问题。一种有效的方案是基于非线性光学参量过程通过光学参量放大器产生具有频率梳结构的大尺度纠缠光场。本课题拟利用1560nm激光倍频产生的780nm激光泵浦特殊设计的单个光学参量放大器，获得以通讯波段1560nm为中心波长的100组份Cluster纠缠态光场，研究该过程中系统量子动力学性质；利用频率选择平衡零拍探测和空间分离同步测量两种方法研究多组份纠缠光场量子噪声特性，并开展基于频率梳纠缠光场的量子测量、量子通讯研究。本项目旨在建立连续变量光学频率梳结构的大尺度纠缠光场制备系统和开展基于该系统的应用研究。

量子纠缠是量子计算和量子信息处理中的核心资源，其中大尺度纠缠态光场由于具有量子相干性好、子系统多、噪声的多通道量子关联、能构建庞大的量子寄存器等优点，对量子计算、量子信息及量子测量起着关键性作用。我们从实验上和理论上完成了对大尺度纠缠态光场产生及应用研究。基于非线性光学参量过程通过光学参量放大器产生具有频率梳结构、光学空间模式梳结构的综合技术路线是一种产生大尺度纠缠的有效方法。首先，我们实验研究了单个Ⅱ类光学参量振荡器(opo)直接产生三个自由度(频率、偏振和轨道角动量)的连续可变高维纠缠。通过补偿频率模态中的色散和高阶横向模态中的像散，OPO能够同时振荡并输出数千个纠缠对。对厄密-高斯模的相关测量，验证了三自由度高维纠缠，并利用纠缠资源实现了一种多路复用量子密集编码通信，证明了高维纠缠在实现大容量量子任务方面的巨大优势。其次，我们研究了利用一个光学参量振荡器产生时空模的大尺度纠缠态光场的产生方案。两束泵浦场光学频率间隔为两个自由光谱区，泵浦内含非线性晶体特殊设计的光学参量振荡器，通过满足能量守恒、位相匹配、光学轨道角动量守恒产生具有频率梳结构和空间模式梳结构的光学模式，文章中我们分别以小尺度8组份和大尺度60组份分情况详细进行了研究，并给出了块状晶体产生1000个模以上纠缠态光场的论证，并且我们使用Cluster纠缠光场Graph图态理论，详细给出了大尺度Cluster纠缠光场的产生方案、G、A矩阵。此外，我们研究了通过在时域和频域上平行产生大规模一维双轨cluster态的方案，该方案可以通过将两个时延非简并光学参量放大器（NOPA）系统与分束器相结合，进一步扩展到三维cluster态。时域和频域中纠缠模式的数量可达到10000量级。因此，纠缠模式的数量可以为量子计算走向应用奠定基础。同时研究了构建一维和三维cluster状态分别需要至少−3dB的压缩光和−6dB的压缩光。并行阵列的数量取决于相应的频率梳线，每个阵列的纠缠数可以很大(百万)，三维 cluster态的规模可以超大。我们的大尺度一维 cluster状态通过使用级连量子隐形传态的量子计算方案可以实现了单模MBQC，而三维cluster态可以实现双模MBQC，并且可以充分利用纠缠的各个模式。