高维纠缠和表面等离子体辅助光传送的实验研究

论文摘要

量子力学和信息学的交叉学科—量子信息学诞生于20世纪90年代，它将信息学和量子力学成功地结合起来，考虑在量子效应明显的各种信息处理系统中的各种问题，从而将信息科学的发展带入了一个新天地．在量子信息学中，信息的存储，表示，提取都是离不开量子态及其演化过程的．而量子纠缠态无疑是各种各样的量子态中最为重要的一类了，它是量子隐形传态，量子计算，量子密码和稠密编码等等的基础． 在对纠缠态的研究中，高维体系引起越来越多的关注，因为相对于二维体系，高维体系在很多方面具有优越性，它可以用来实现新的量子通信方案；在量子密码方面，对于某些特殊的窃听方案，高维体系更加安全，而且，高维体系可以用来实现一些二维体系所实现不了的方案，比如量子比特承诺，量子硬币翻转等等。在量子理论的基础方面，高维体系也有一定的应用，对于两粒子的高维体系，Clauser-Horne-Shimony-Holt（CHSH）不等式可以被最大违背，而且这种违背的存在可以延伸到无限维去。 与此同时，大尺度的纠缠体系因其在保持相干性方面的特性也越来越引起人们的兴趣，其中的一个重要的研究对象就是表面等离子体辅助的光场相干传送过程，因为表面等离子体是1010个电子的集体运动，而实验证明，在表面等离子体辅助传送过程中，纠缠可以从单光子转移到表面等离子体，也就是说这种大量电子的集体振荡也具有量子特性，这种表面等离子体辅助传送现象在基础领域和量子信息领域的研究上都具有重要意义，它可以将纠缠从光子传送到金属表面，从而提供了一种利用亚波长金属光学器件来存储，调制量子信息的方法，这些关于表面等离子体辅助传送的研究将量子信息和纳米结构金属光学有机的结合到了一起。 本论文的工作集中在高维纠缠态的制备和表面等离子体辅助传送的实验研究这两个方面，主要包括： 1．自发参量下转换过程中的高维空间模式纠缠 我们在理论上计算出了参量下转换过程产生的轨道角动量纠缠态和Hermit-Gaussian模纠缠态，它们都存在于无限维的Hilbert空间，可以用来研究高维纠缠体系，我们还讨论了如何利用光学元件对产生的轨道角动量纠缠态进行纯化，并在实验上进行了初步验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 量子纠缠
• 1.1 概述
• 1.2 量子比特
• 1.3 纠缠态
• 1.3.1 纠缠态定义
• 1.3.2 二维纠缠态
• 1.3.3 高维纠缠态
• 1.4 参量下转换过程
• 1.4.1 背景
• 1.4.2 Ⅰ型和Ⅱ型参量下转换
• 第二章 高维空间模式纠缠
• 2.1 引言
• 2.2 轨道角动量纠缠
• 2.2.1 光子的轨道角动量
• 2.2.2 LG模光的制备和探测
• 2.2.3 轨道角动量纠缠态的理论计算
• 2.2.4 轨道角动量纠缠态的实验测量
• 2.2.5 轨道角动量纠缠态的纯化
• 2.3 Hermite-Gaussian模纠缠
• 2.3.1 光的Hermite-Gaussian模
• 2.3.2 自发参量下转换过程中的HG模纠缠
• 2.3.3 结论
• 2.4 小结
• 第三章 多重纠缠
• 3.1 引言
• 3.2 利用多重纠缠来操控高维纠缠态
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 理论分析
• 3.3 利用高维纠缠态来实现完全的Bell基测量
• 3.3.1 Bell基测量
• 3.3.2 偏振和能量时间纠缠态的制备
• 3.3.3 完全的Bell基测量
• 3.4 小结
• 第四章 表面等离子体辅助传送双光子过程
• 4.1 引言
• 4.2 表面等离子体辅助传送过程
• 4.2.1 带有周期性结构的金属膜的制备
• 4.2.2 反常的透过增强现象
• 4.2.3 理论解释
• 4.3 表面等离子体辅助传送的偏振纠缠和能量时间纠缠
• 4.3.1 表面等离子体辅助传送的偏振纠缠
• 4.3.2 表面等离子体辅助传送的能量时间纠缠
• 4.4 表面等离子体辅助传送的双光子过程
• 4.4.1 研究动机
• 4.4.2 实验装置和实验过程
• 4.4.3 结论
• 4.5 小结
• 第五章 表面等离子体辅助传送的高维纠缠
• 5.1 引言
• 5.2 表面等离子体辅助传送过程的空间特性
• 5.2.1 实验装置和实验过程
• 5.2.2 实验结论
• 5.3 表面等离子体辅助传送的高维纠缠
• 5.3.1 实验装置和实验过程
• 5.3.2 实验结论
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论文发表（或待发表）情况
• 致谢