自由空间量子通信实验研究

论文摘要

量子信息是量子物理和信息科学交叉发展起来的新学科,由于具有经典信息学无法比拟的优势和前景,近年来得到了广泛的关注和发展。量子通信是量子信息领域最接近实用化的方向,根据传输信道不同,又分为光纤量子通信和自由空间量子通信。目前光纤量子通信已基本达到极限传输距离,自由空间量子通信则可借助空间平台建立高稳定低损耗信道,实现超远距离量子通信实验,通过空间平台中转将有可能实现覆盖全球的量子通信网络。因此自由空间量子通信成为目前国际上最热门的研究方向。本文的内容主要内容包括在实验上,模拟了卫星发射单光子源,到达地面被探测的星地量子信道的建立,并在此基础上发展了基于卫星运动平台的偏振保持技术,验证了以现有技术水平实现星地量子通信的可行性;实验制备了两体四维纠缠光子对,并将其应用于“量子心灵感应”游戏的演示;实验同步了两个由独立激光器产生的纠缠光子对,并在此基础上实现了纠缠交换;实验演示了基于消相干自由子空间的容错量子密钥分配。在我们实验中发展起来的技术,将在未来的基于空间平台的自由空间量子通讯,实用的量子密码,线性光学量子计算等方向有着重要应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 基本概念和技术手段
• 2.1 量子信息基本概念
• 2.1.1 量子态叠加原理和量子不可克隆定理
• 2.1.2 量子密码
• 2.1.3 EPR 佯谬和 Bell 不等式
• 2.1.4 量子态隐形传输和量子纠缠交换
• 2.1.5 量子计算
• 2.2 量子光学的基本技术手段
• 2.2.1 纠缠光子对的制备
• 2.2.2 量子光学基本器件
• 2.2.3 Bell 态分析仪
• 第三章 单光子从卫星传回地球
• 3.1 理论分析
• 3.1.1 角反射器的工作原理
• 3.1.2 噪声来源分析
• 3.1.3 时间-数字转换器（TDC）简介
• 3.2 实验实现
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 噪声抑制系统
• 3.2.3 时间同步系统
• 3.2.4 实时极化控制系统
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 准单光子源和信道损耗分析
• 3.3.2 高精度时间分辨
• 3.3.3 实时偏振保真度
• 3.4 结论与展望
• 第四章 “量子心灵感应”游戏
• 4.1 量子“赝心灵感应”简介
• 4.2 魔方游戏量子取胜策略
• 4.3 实验实现
• 4.4 结论与展望
• 第五章 独立纠缠源的实验同步
• 5.1 同步技术的重要性
• 5.2 同步飞秒激光
• 5.3 同步纠缠对的纠缠交换
• 5.4 结论和展望
• 第六章 容错量子密码的实验研究
• 6.1 理论方案
• 6.2 实验实现
• 6.3 实验结果
• 6.4 结论与展望
• 第七章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和待发表的论文