量子网络的构建与应用

本书主要围绕量子网络的构建与应用展开。全书共5 章：绪论、紫外光场及单组分压缩态光场、两组分和三组分偏振纠缠态光场、光电探测器设计理论分析、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。首先实现了纠缠态的制备，分别利用两个和三个非简并光学参量放大器得到两组分偏振纠缠态光场和连续变量三组分偏振纠缠态光场，利用电磁感应透明效应建立了三个原子系综间的量子纠缠；其次利用高信噪比自举光电探测器实现光场压缩度的有效提升；最终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，为构建实用化量子网络提供了一种可行方案。
本书可以作为高等院校原子分子物理、量子通信、量子存储等相关领域师生的参考用书，也可供从事相关工作的科研与技术人员参考。

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。

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。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。 本书适合从事通信网络、原子分子物理、量子网络等的工程技术人员和高校相关专业师生参考阅读。

当前量子网络已成为量子信息领域的热门课题，通常一个实用化的量子网络包括由光纤等构成的量子信息传输通道以及由原子系综、离子系统等构成的量子节点。光场是量子信息传输的理想载体，是实现量子节点间信息传递的基础，要构造一个真正的量子网络，首先需要制备能与量子节点相互作用的非经典态光场。由Stokes算符描述的偏振压缩态以及偏振纠缠态光场可以方便地和原子自旋算符对应，且其测量方式简单，是构造量子网络的理想信息载体之一。量子中继是延伸量子信息网络的有效手段，而高效稳定的量子存储是实现量子中继的基础。本书首先进行与铷原子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必需的量子资源;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分偏振纠缠开展量子网络中确定性的纠缠分发方案研究，为下一步开展实用化量子网络研究提供了可行性参考。
本书的主要内容如下：
① 建立了外腔倍频系统，用1W 的基频光泵浦，获得了功率为380mW、波长为398nm 的紫外激光，并利用热辐射扩散模型量化了热效应的作用。获得的紫外激光为非经典光场产生提供了泵浦源。
② 利用398nm 紫外光场泵浦两个非简并光学参量放大器(DOPA)得到两束波长为795nm 的正交振幅压缩态光场，经分束器和偏振棱镜线性变换，对入射光场的位相进行控制，分别得到与铷原子D1线对应的偏振压缩态光场和两组分偏振纠缠态光场。
③ 利用三个DOPA 分别产生两束正交振幅压缩态光场和一束正交位相压缩态光场。将三束压缩态光场及三束相干态光场在特别设计的分束器网络上耦合，制备了连续变量三组分偏振纠缠态光场。利用电磁感应透明效应实现了三组分纠缠态光场在三个彼此距离2.6m 的铷原子系综中的存储，建立了三个原子系综间的量子纠缠。之后，又研究了被存储纠缠到三个光学通道的受控释放，通过对释放光场的纠缠检测，证实了纠缠存储。
④ 定量分析了光电二极管大的结电容对探测器噪声的影响，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的方案。
设计了放大电路，理论计算其噪声模型，重点关注影响高频噪声的元件参数，根据计算的元件参数，评估了每种电路的特点与不足，最终确定了跨阻抗放大电路的设计方法。基于以上理论研究，成功研制出了一种由跨阻抗放大器(TIA)电路和两级自举放大器电路组合的高信噪比低噪声光电探测器。
⑤ 开展了采用非简并光学参量放大器系统和分束器网络制备四组分Greenberger-Horne-Zeilinger-like (GHZ-like)偏振纠缠态和四组分类Cluster偏振纠缠态的原理研究，提出了四组分偏振纠缠判据。基于提出的四组分偏振纠缠判据，开展了利用连续变量四组分类GHZ偏振纠缠态和四组分类Cluster偏振纠缠态在长距离通信光纤中进行四用户间确定性纠缠分发的研究。
本书是笔者在光学探测、信息网络构建、量子信息存储领域研究成果的总结，研究内容受到国家自然科学基金委：基于介电常数近零材料的亚波长薄膜非线性光源项目(62135008)和山西工程科技职业大学的资助，在此表示感谢。同时，感谢李少华、柴婷、王晓丽在本书结构制定、数据整理、编写等方面提供的帮助。
限 于笔者水平，书中难免有疏漏和不足之处，恳请读者和各位专家批评指正。

吴量
山西工程科技职业大学

第1章 绪论 1
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