利用PPKTP晶体产生真空压缩态及其Wigner准概率分布函数的量子重构

通过光学腔内置周期极化磷酸氧钛晶体的连续光学参量振荡器,以532nm光场为抽运场,产生1064nm的真空压缩态光场,利用平衡零拍探测技术得到3.41dB的实测压缩度,并采用量子层析技术重构出真空压缩态光场在相空间的Wigner准概率分布函数. 关键词： 真空压缩态光场 光学参量振荡器 量子层析 Wigner准概率分布函数     

明亮压缩态光场的操控及量子层析

连续变量量子态的制备与操控是进行量子通信、量子密钥分发以及量子网络构建的重要基础.本文基于二阶非线性过程,利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的简并光学参量放大腔,在实验上实现了 1064 nm波段明亮压缩态光场的制备,所制备的明亮压缩态光场在泵浦光功率为310 mW、分析频率为3 MHz处的压缩度为-11.6 dB.当注入50 mW泵浦光时,实现了压缩度为-6 dB,纯度为98.5%的压缩态光场;在此基础上,利用光电调制器进行明亮压缩态光场的线性光学操控,并基于平衡零拍探测系统的直流信号准确判断压缩态光场时域信号对应的相位,之后结合极大似然估计算法实现压缩态的量子层析,得到量子态的密度矩阵及相空间的Wigner函数,从而获得量子态的光子数分布等全部信息.     

压缩光透过克尔介质时光场的相位和压缩特性及其关联

用Pegg-Barnett理论研究了压缩真空态光与克尔介质的相互作用对光场相位特性的影响,讨论了光场的压缩和高阶压缩与相位特性之间的关联.光场相位正交分量的各阶矩呈现周期性的振荡,与相位分布函数密切相关.     

相位抖动对“光学薛定谔”猫态制备的影响

我们通过计算机模拟得到相位抖动情况下"光学薛定谔"猫态的正交分量测量集,利用极大似然估计进行量子态重构,获得"光学薛定谔"猫态的Wigner函数。研究了"光学薛定谔"猫态的保真度及Wigner函数相空间原点值W (0,0)随相位抖动的变化,发现保真度随相位抖动幅度的增大而降低,而W (0,0)值则对相位抖动不敏感。另外,我们在不同的输入态压缩纯度和压缩度下,分析了相位抖动对"光学薛定谔"猫态保真度的影响,结果表明:压缩纯度越大,相位抖动对保真度的影响越小;压缩度越大,保真度对相位抖动越敏感。     

光场组合算符激发混沌场的量子特性

利用算符作用在光场态上构造新的量子态的方法,通过光场湮没和产生算符的线性组合作用构造了光场组合算符激发混沌场。通过对光场的两个正交分量涨落、二阶关联函数、Mandel Q参量和Wigner函数的计算,研究了该量子态的压缩效应、反聚束效应、统计性质和Wigner函数的负性。讨论了算符叠加系数变化和平均光子数变化对其量子特性的影响。研究结果表明:光场不呈现压缩效应;随平均光子数增大它的反聚束效应、亚泊松分布性质和Wigner函数负性减弱;另一方面,随算符组合部分中产生算符的比重增大,光场反聚束效应和亚泊松分布性质增强。这表明增大算符组合部分中产生算符的比重对增强光场反聚束效应和亚泊松分布性质有利。     

利用微脉塞重构腔场的Wigner函数

提出了重构腔场Wigner函数的一种新方案.该方案可以用微脉塞来实现.发现在腔场的Wigner函数与原子的布居数之间存在一个简单的关系.在实验上测得原子的布居数后，进行一个简单的数值积分，就可得到腔场的Wigner函数.以单光子Fock态和Schr?dinger猫态为例进行了数值模拟，发现与用精确公式计算的结果很好地相符. 关键词： 量子态重构 Wigner函数 微脉塞     

Kerr介质中光场与V型三能级原子依赖强度耦合相互作用系统的光场压缩

利用全量子理论,研究了Kerr介质中单模光场与V型三能级原子依赖强度耦合的相互作用系统中光场的压缩效应.采用数值计算的方法讨论了Kerr介质与辐射场的耦合系数χ和初始场平均光子数对光场压缩的影响.结果表明:Kerr效应对光场的压缩起着不同程度的减弱作用,适当大小的初始场平均光子数有利于光场的压缩.     

非旋波近似下压缩真空场与三能级原子依赖强度耦合系统的光场压缩

利用全量子理论,研究了非旋波近似下压缩真空场与V型三能级原子依赖强度耦合相互作用系统中光场的压缩效应.数值计算结果表明:光场呈现出周期性压缩现象,而虚光子过程则对光场的压缩具有抑制作用并产生量子噪声,量子噪声大小依赖于光场的初始压缩因子r和光场频率ω,且与原子-光场耦合强度g有关.随着r的增大,虚光子过程对光场压缩抑制作用程度由弱到强再由强到弱;随着ω和g的增大,量子噪声分别减小和增大.     

压缩真空场与耦合双原子Raman相互作用过程中光场的相位演化特性

采用Pegg-Barnett相位理论，研究了压缩真空场与耦合双原子Raman相互作用过程中光场的相位演化特性.具体计算了场的相位概率分布函数及相位涨落，给出了在极坐标中概率分布变化曲线.讨论了原子与场相互作用、两原子间偶极-偶极相互作用以及原子初始状态对光场相位性质的影响. 关键词： 相位特性 压缩真空场 耦合双原子 Raman相互作用     

Kerr介质中光场与Ⅴ型三能级原子依赖强度耦合相互作用系统的光场压缩

利用全量子理论,研究了Kerr介质中单模光场与v型三能级原子依赖强度耦合的相互作用系统中光场的压缩效应.采用数值计算的方法讨论了Kerr介质与辐射场的耦合系数x和初始场平均光子数对光场压缩的影响.结果表明:Kerr效应对光场的压缩起着不同程度的减弱作用,适当大小的初始场平均光子数有利于光场的压缩.     

基于压缩光的量子激光雷达技术

利用Wigner函数对真空态、单光子态、压缩态在相空间的噪声分布进行仿真,并系统分析了基于压缩光的量子相干激光雷达和压缩光注入式量子激光雷达.研究表明,相比经典激光雷达,较高压缩度有利于量子相干激光雷达探测信噪比的提升,理论上8dB的压缩度可以使信噪比提高6.25倍;而压缩光注入式量子激光雷达系统的空间分辨率主要取决于真空压缩光的压缩度和无噪声相敏放大系统的增益.由于压缩光对探测信噪比的提升作用,量子激光雷达在微弱信号探测和高分辨率成像领域具有显著优势.     

Thermo Vacuum State for Describing the Density Operator of Photon-subtracted Squeezed Chaotic Light

For the density operator describing s?photon-subtracted squeezed chaotic light (PSSCL) we search for its thermo vacuum state (a pure state) in the real-fictitious space. We find that it reduces to a thermo vacuum state of squeezed chaotic light when s = 0, and to a thermo vacuum state of the optical negative binomial field when no squeezing. The new thermo vacuum state simplifies calculating photon number average, quantum fluctuation and Mandel’s Q parameter of PSSCL. Using the method of integration within ordered product (IWOP) of operators we also derive the normalization coefficient and explicitly analytical expressions of Wigner function for PSSCL.     

Quantum state tomography of an itinerant squeezed microwave field

We perform state tomography of an itinerant squeezed state of the microwave field prepared by a Josephson parametric amplifier (JPA). We use a second JPA as a preamplifier to improve the quantum efficiency of the field quadrature measurement from 2% to 36%±4%. Without correcting for the detection inefficiency we observe a minimum quadrature variance which is 68(-7)(+9)% of the variance of the vacuum. We reconstruct the state's density matrix by a maximum likelihood method and infer that the squeezed state has a minimum variance less than 40% of the vacuum, with uncertainty mostly caused by calibration systematics.     

纠缠微波信号的特性及表示方法

纠缠微波信号是电磁场微波频段量子特性的体现.在总结了现有纠缠微波信号产生及验证实验的基础上,针对目前没有统一的表达式来描述纠缠微波信号格式的问题,通过深入分析纠缠微波信号的特性,提出了两种纠缠微波信号的表示方法.一种是在量子框架下,利用双模压缩真空态表示,并分别在光子数表象下和Wigner分布下分析了其信号特征,刻画了正交分量之间的正反关联特性;另一种是在经典框架下,利用关联随机信号表示,刻画了测量后纠缠微波信号场幅度正交分量随时间变化的波形图.两种表示恰当合理地反映了纠缠微波信号连续变量纠缠的特性.     

Thermal vacuum state corresponding to squeezed chaotic light and its application

For the density operator(mixed state) describing squeezed chaotic light(SCL) we search for its thermal vacuum state(a pure state) in the real-fictitious space. Using the method of integration within ordered product(IWOP) of operators we find that it is a kind of one- and two-mode combinatorial squeezed state. Its application in evaluating the quantum fluctuation of photon number reveals: the stronger the squeezing is, the larger a fluctuation appears. The second-order degree of coherence of SCL is also deduced which shows that SCL is classic. The new thermal vacuum state also helps to derive the Wigner function of SCL.     

Generation of a superposition of odd photon number states for quantum information networks

We report on the experimental observation of quantum-network-compatible light described by a nonpositive Wigner function. The state is generated by photon subtraction from a squeezed vacuum state produced by a continuous wave optical parametric amplifier. Ideally, the state is a coherent superposition of odd photon number states, closely resembling a superposition of weak coherent states |alpha > - |-alpha >. In the limit of low squeezing the state is basically a single photon state. Light is generated with about 10,000 and more events per second in a nearly perfect spatial mode with a Fourier-limited frequency bandwidth which matches well atomic quantum memory requirements. The generated state of light is an excellent input state for testing quantum memories, quantum repeaters, and linear optics quantum computers.     

原子运动对与V型三能级原子作用的双模光场压缩效应的影响

应用全量子理论和数值分析的方法研究了在双模光场与运动的V型三能级原子相互作用过程中，原子运动对双模场压缩的影响。结果表明，当初始光场处于非关联双模相干态时，只有光场的第一正交分量被压缩，压缩程度随着原子运动与场模结构参数的增大而增大。另一方面，当初始光场处于双模压缩真空态时，主要是光场的第二正交分量被压缩，并且通过适当选择原子运动与场模结构参数，能够获得稳定的压缩光。     

Wigner function and tomogram of the excited squeezed vacuum state

The excited squeezed light (ESL) can be the outcome of interaction between squeezed light probe and excited atom, which can explore the status and the structure of the atom. We calculate the Wigner function and tomogram of ESL that may be comparable to the experimental measurement of quadrature-amplitude distribution for the light field obtained using balanced homodyne detection. The method of calculation seems new.     

1.5μm光通信波段明亮压缩态光场的产生及其Wigner函数的重构

1.5 μm光通信波段非经典光场在光纤中有着极低的传输损耗, 因而是基于光纤的实用化连续变量量子信息研究的重要资源. 本文利用周期极化磷酸氧钛晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器, 实验获得了连续变量1.5 μm光通信波段的明亮压缩态光场. 光学参量放大器的阈值功率为230 mW. 当780 nm抽运光场功率为110 mW, 1.5 μm注入信号光场功率为3 mW时, 连续变量1.5 μm明亮正交位相压缩态光场的压缩度达4.7 dB. 进而利用时域零拍探测系统测量压缩态, 采用量子层析技术重构了该明亮正交位相压缩态光场的Wigner准概率分布函数.