基于光子轨道角动量纠缠的鬼成像和多址技术研究

论文摘要

将实验产生的纠缠光子对分成两路,若在其中一支中放置物体,通过记录两条光路的符合计数,则可在另一支光路中得到了物体的清晰像,这种成像技术称为关联成像(correlated imaging)或“鬼”成像(ghost imaging)。鬼成像技术以其独特的非定域成像特性引起人们极大的关注,在军事、医疗、天文以及搜救等领域有着广阔的应用前景。本文以光子轨道角动量纠缠态为基础,分析纯相位物体的成像过程。根据Bloch球面的赤道上两个叠加态的符合度与这两个叠加态的旋转角度是一对余弦函数关系,提出多灰度纯相位物体关联成像技术的编码方法,以Labview为仿真平台,验证该算法的有效性,并与文献[16]中的其他编码方法相比较。仿真结果显示对于多种灰度物体,所提出编码算法可以明显改善多灰度物体的成像质量。在此基础上,利用已搭建的量子实验平台,从实验上验证了所提编码算法,同时实现了文献[16]所提到的成像方法,并对两种方法的实验结果进行比较。通过在Bloch球面赤道的多次扫描、计算和归一化,实验上计算得到鬼成像系统的关联系数,当OAM值为1时其值为2.54;当OAM值为2时其值为2.32,违背贝尔不等式(Belline quality),表明了成像实验基于纠缠光源,具有量子特性。此外,论文还基于OAM纠缠光子对提出了一种实现量子多址通信的方法。利用不同OAM值量子态之间相互正交且完备的特点,借鉴码分多址概念,将不同用户的码元映射到不同OAM值量子态上,把所有用户的信息在同一信号光路上发送,由于每个用户的测量基和其他用户的码元之间是正交的,因此各个用户能够检测出自己的信息。数值仿真结果验证了量子多址通信方案的可行性和有效性,最后给出量子多址通信的实验示意图。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 论文主要内容
• 第二章 量子力学及鬼成像基本理论
• 2.1 量子力学基础
• 2.1.1 状态空间及表征方法
• 2.1.2 量子比特
• 2.1.3 量子态的运算
• 2.1.4 量子力学基本原理
• 2.1.5 纠缠态
• 2.2 基于轨道角动量纠缠的鬼成像的基本原理
• 2.2.1 激光的横向模式
• 2.2.2 符合度的计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 鬼成像理论研究与数值仿真
• 3.1 基于物体边界相位变化的鬼成像
• 3.1.1 实现原理及方法
• 3.1.2 仿真结果与性能分析
• 3.2 一种改进的鬼成像方法
• 3.2.1 实现原理及方法
• 3.2.2 仿真结果与性能分析
• 3.3 一种多灰度鬼成像编码方法
• 3.3.1 Poincaré球面
• 3.3.2 Poincaré球面赤道上的态之间的关系
• 3.3.3 一种多灰度鬼成像的编码方法
• 3.3.4 仿真结果与性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 鬼成像实验
• 4.1 实验平台介绍
• 4.1.1 实验所用器件及其作用简介
• 4.1.2 实验系统的搭建
• 4.1.3 实验的几个重要参数
• 4.2 基于物体边缘相位变化的鬼成像的实现
• 4.2.1 激光模式检测
• 4.2.2 具体实现方法
• 4.2.3 实验结果与性能分析
• 4.3 一种改进的鬼成像方法的实现
• 4.3.1 具体实现方法
• 4.3.2 实验结果与性能分析
• 4.4 一种多灰度鬼成像编码方法的实现
• 4.4.1 Poincaré球面赤道上点的关系验证
• 4.4.2 具体实现方法
• 4.4.3 实验结果与性能分析
• 4.5 验证贝尔不等式
• 4.5.1 贝尔不等式理论
• 4.5.2 验证贝尔不等式的实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于OAM 纠缠的量子多址通信
• 5.1 基于OAM 纠缠的量子多址通信的基本原理
• 5.1.1 OAM 态的正交性
• 5.1.2 多用户码元信息编码方法
• 5.1.3 测量方法
• 5.2 举例说明及仿真
• 5.2.1 两用户举例
• 5.2.2 仿真结果与分析
• 5.3 实验装置图设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 课题研究总结
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文