光学专业优秀论文光学专业优秀论文 连续变量四组份纠缠光场产生和量子保密通信连续变量四组份纠缠光场产生和量子保密通信研究研究关键词：量子光学关键词：量子光学 量子纠缠量子纠缠 密钥分发密钥分发 保密通信保密通信摘要：量子信息是当今国际科学技术界的前沿研究课题，主要研究如何利用量 子力学基本原理及量子态的特性，如量子纠缠和态叠加等，完成信息处理、计 算与传送。量子纠缠是量子力学最重要的精华内容之一，它被认为是量子信息 和量子计算的重要资源。利用量子纠缠，人们可以在信息与计算领域完成经典 物理不可能完成的工作。利用量子纠缠，通讯双方可以实现对一个量子态的高 保真度远程传输，即量子离物传态；利用量子纠缠，通信双方可以实现经典信 息的高信道容量传输，即量子密集编码；甚至可以使原本不纠缠的量子系统在 不直接相互作用的情况下产生纠缠，即量子纠缠交换。量子力学的诸多特性也 应用到保密通信当中，可以从物理层面上达到真正意义的保密，实现绝对安全 的量子密钥分发(Quanrum key distribution，QKD)。各种利用量子纠缠的量子 密钥分发方案，显示出独特的优越性。设计和实验实现有实际应用潜力的量子 密钥分发方案，不仅有基础研究意义，而且有很强的应用需求。 量子信息科 学根据所利用的量子变量的本征态具有分离谱或是连续谱结构区分为分离变量 与连续变量两大类，连续变量和分离变量量子信息有着不同的特点与应用前景， 各具特色，目前正在平行发展。量子信息研究先从分离变量开始，随后被扩展 到连续变量领域。连续变量量子通信具有比特速率高等潜在优越性，近十年引 起广泛的研究兴趣。但与分离变量相比，连续变量量子通信的实验研究仍相对 滞后。虽然已利用连续变量两组份 Einstein-PodolskyRosen(EPR)纠缠实现 了无条件量子态离物传送、量子密集编码及量子纠缠交换等量子通信的重要基 础实验，然而发展量子信息的关键是实现量子信息网络。获得多组份纠缠态是 下一步发展量子信息网络的基本工作之一。 本文的主要研究内容如下： 1设计了连续变量四组份类 Greenberger-ttome-Zeilinger(GHZ)纠缠态和类 Cluster 纠缠态产生系统，并完成了产生四组份类 GHZ 纠缠态和类 Cluster 纠 缠态的实验研究。利用一对运转于参量反放大状态的非简并光学参量放大器， 产生的四个正交分量压缩态光场(两束正交振幅压缩光，两束正交位相压缩光)， 经适当的线性光学变换与量子非破坏(Quantum nondemolifion，QND)耦合，通 过对耦合光相对位相的控制，既产生了四组份类 GHZ 纠缠态，也产生了四组份 类 Cluster 纠缠态。 2提出一种利用明亮的 EPR 纠缠光束完成连续变量密 集编码量子保密通信的方案。纠缠源被放置在接收者处，仅利用纠缠光束的一 束(信号光)往返传输信息，而另一束光场(闲置光)被接收者保留用于解调信息。 信息发送者同时将振幅和位相信号调制到信号光场上，然后将其返回到接收者 处，接收者利用连续变量量子密集编码关联测量解调信号，因此信道容量被大 大的提高。该方案可以直接利用量子纠缠突破连续变量量子保密通信的 3 dB 损 耗极限。 3直接利用光场的 EPR 关联实现了连续变量量子保密通信。通信 双方共享一对明亮的 EPR 纠缠光束，随机选择测量各自所拥有的光场的正交振 幅或正交位相分量，并利用各分量间的量子关联建立密钥。此方案无需信号调 制，通过量子起伏的局域测量和公开比对建立密钥和发现窃听者。从信息理论 证明了方案的安全性。实验结果显示，我们的裸码速率可达 110lt;#39;7gt; bit/s。 4利用运转于阈值以上的非简 并光学参量振荡器，制备了强度高达 22mw 的频率非简并纠缠态光场。用非平 衡 Mach-Zehnder 干涉仪所测得的正交振幅与正交位相的量子关联度分别为 1.25dB 和 0.60dB。该方法提供了制备和检测频率可调谐高亮度纠缠态光场的 有效途径。所完成的有所创新的研究工作如下： 1设计了连续变量四组份 类 GHZ 纠缠态和类 Cluster 纠缠态的实验产生系统，从理论上推导出四组份类 Cluster 纠缠态的完全不可分判据，计算了四组份纠缠对实验参量的依赖关系。 首次从实验上获得了上述两类四组份纠缠态光场。 2提出利用明亮 EPR 纠 缠光束，通过双向传输实现连续变量密集编码量子保密通信的方案，通过理论 计算证明了在高纠缠度下直接突破 3 dB 损耗极限的可能性。 3提出一种利 用 EPR 关联，无需信号调制，实现连续变量量子保密通信的新方案，并通过实 验证实了该方案的可行性。 4利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡 器，制备了强度高达 22 mW 的频率非简并纠缠态光场，并利用一对非平衡 Mach-Zehnder 干涉仪测定了光场的纠缠度。正文内容正文内容量子信息是当今国际科学技术界的前沿研究课题，主要研究如何利用量子 力学基本原理及量子态的特性，如量子纠缠和态叠加等，完成信息处理、计算 与传送。量子纠缠是量子力学最重要的精华内容之一，它被认为是量子信息和 量子计算的重要资源。利用量子纠缠，人们可以在信息与计算领域完成经典物 理不可能完成的工作。利用量子纠缠，通讯双方可以实现对一个量子态的高保 真度远程传输，即量子离物传态；利用量子纠缠，通信双方可以实现经典信息 的高信道容量传输，即量子密集编码；甚至可以使原本不纠缠的量子系统在不 直接相互作用的情况下产生纠缠，即量子纠缠交换。量子力学的诸多特性也应 用到保密通信当中，可以从物理层面上达到真正意义的保密，实现绝对安全的 量子密钥分发(Quanrum key distribution，QKD)。各种利用量子纠缠的量子密 钥分发方案，显示出独特的优越性。设计和实验实现有实际应用潜力的量子密 钥分发方案，不仅有基础研究意义，而且有很强的应用需求。 量子信息科学 根据所利用的量子变量的本征态具有分离谱或是连续谱结构区分为分离变量与 连续变量两大类，连续变量和分离变量量子信息有着不同的特点与应用前景， 各具特色，目前正在平行发展。量子信息研究先从分离变量开始，随后被扩展 到连续变量领域。连续变量量子通信具有比特速率高等潜在优越性，近十年引 起广泛的研究兴趣。但与分离变量相比，连续变量量子通信的实验研究仍相对 滞后。虽然已利用连续变量两组份 Einstein-PodolskyRosen(EPR)纠缠实现 了无条件量子态离物传送、量子密集编码及量子纠缠交换等量子通信的重要基 础实验，然而发展量子信息的关键是实现量子信息网络。获得多组份纠缠态是 下一步发展量子信息网络的基本工作之一。 本文的主要研究内容如下： 1设计了连续变量四组份类 Greenberger-ttome-Zeilinger(GHZ)纠缠态和类 Cluster 纠缠态产生系统，并完成了产生四组份类 GHZ 纠缠态和类 Cluster 纠 缠态的实验研究。利用一对运转于参量反放大状态的非简并光学参量放大器， 产生的四个正交分量压缩态光场(两束正交振幅压缩光，两束正交位相压缩光)， 经适当的线性光学变换与量子非破坏(Quantum nondemolifion，QND)耦合，通 过对耦合光相对位相的控制，既产生了四组份类 GHZ 纠缠态，也产生了四组份 类 Cluster 纠缠态。 2提出一种利用明亮的 EPR 纠缠光束完成连续变量密 集编码量子保密通信的方案。纠缠源被放置在接收者处，仅利用纠缠光束的一 束(信号光)往返传输信息，而另一束光场(闲置光)被接收者保留用于解调信息。 信息发送者同时将振幅和位相信号调制到信号光场上，然后将其返回到接收者 处，接收者利用连续变量量子密集编码关联测量解调信号，因此信道容量被大 大的提高。该方案可以直接利用量子纠缠突破连续变量量子保密通信的 3 dB 损 耗极限。 3直接利用光场的 EPR 关联实现了连续变量量子保密通信。通信 双方共享一对明亮的 EPR 纠缠光束，随机选择测量各自所拥有的光场的正交振 幅或正交位相分量，并利用各分量间的量子关联建立密钥。此方案无需信号调 制，通过量子起伏的局域测量和公开比对建立密钥和发现窃听者。从信息理论 证明了方案的安全性。实验结果显示，我们的裸码速率可达 110lt;#39;7gt; bit/s。 4利用运转于阈值以上的非简 并光学参量振荡器，制备了强度高达 22mw 的频率非简并纠缠态光场。用非平 衡 Mach-Zehnder 干涉仪所测得的正交振幅与正交位相的量子关联度分别为 1.25dB 和 0.60dB。该方法提供了制备和检测频率可调谐高亮度纠缠态光场的有效途径。所完成的有所创新的研究工作如下： 1设计了连续变量四组份 类 GHZ 纠缠态和类 Cluster 纠缠态的实验产生系统，从理论上推导出四组份类 Cluster 纠缠态的完全不可分判据，计算了四组份纠缠对实验参量的依赖关系。 首次从实验上获得了上述两类四组份纠缠态光场。 2提出利用明亮 EPR 纠 缠光束，通过双向传输实现连续变量密集编码量子保密通信的方案，通过理论 计算证明了在高纠缠度下直接突破 3 dB 损耗极限的可能性。 3提出一种利 用 EPR 关联，无需信号调制，实现连续变量量子保密通信的新方案，并通过实 验证实了该方案的可行性。 4利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡 器，制备了强度高达 22 mW 的频率非简并纠缠态光场，并利用一对非平衡 Mach-Zehnder 干涉仪测定了光场的纠缠度。 量子信息是当今国际科学技术界的前沿研究课题，主要研究如何利用量子力学 基本原理及量子态的特性，如量子纠缠和态叠加等，完成信息处理、计算与传 送。量子纠缠是量子力学最重要的精华内容之一，它被认为是量子信息和量子 计算的重要资源。利用量子纠缠，人们可以在信息与计算领域完成经典物理不 可能完成的工作。利用量子纠缠，通讯双方可以实现对一个量子态的高保真度 远程传输，即量子离物传态；利用量子纠缠，通信双方可以实现经典信息的高 信道容量传输，即量子密集编码；甚至可以使原本不纠缠的量子系统在不直接 相互作用的情况下产生纠缠，即量子纠缠交换。量子力学的诸多特性也应用到 保密通信当中，可以从物理层面上达到真正意义的保密，实现绝对安全的量子 密钥分发(Quanrum key distribution，QKD)。各种利用量子纠缠的量子密钥分 发方案，显示出独特的优越性。设计和实验实现有实际应用潜力的量子密钥分 发方案，不仅有基础研究意义，而且有很强的应用需求。 量子信息科学根据 所利用的量子变量的本征态具有分离谱或是连续谱结构区分为分离变量与连续 变量两大类，连续变量和分离变量量子信息有着不同的特点与应用前景，各具 特色，目前正在平行发展。量子信息研究先从分离变量开始，随后被扩展到连 续变量领域。连续变量量子通信具有比特速率高等潜在优越性，近十年引起广 泛的研究兴趣。但与分离变量相比，连续变量量子通信的实验研究仍相对滞后。 虽然已利用连续变量两组份 Einstein-PodolskyRosen(EPR)纠缠实现了无条 件量子态离物传送、量子密集编码及量子纠缠交换等量子通信的重要基础实验， 然而发展量子信息的关键是实现量子信息网络。获得多组份纠缠态是下一步发 展量子信息网络的基本工作之一。 本文的主要研究内容如下： 1设计了 连续变量四组份类 Greenberger-ttome-Zeilinger(GHZ)纠缠态和类 Cluster 纠 缠态产生系统，并完成了产生四组份类 GHZ 纠缠态和类 Cluster 纠缠态的实验 研究。利用一对运转于参量反放大状态的非简并光学参量放大器，产生的四个 正交分量压缩态光场(两束正交振幅压缩光，两束正交位相压缩光)，经适当的 线性光学变换与量子