连续变量量子态的光学控制分析

隽若瑜

【摘要】 近年来，国内学者对非经典光场进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果。作为量子信息与量子计算过程中极为重要的组成部分，非经典光场一方面能够促进信息与通讯领域工作的顺利完成，另一方面能够实现对量子态的操作、控制。本次研究将着重对连续变量多组份纠缠态光场进行深入分析，并在此基础上探究了连续变量量子通讯网络及光场控制，为相关行业提供有效的参考。【关键词】 连续变量 纠缠态 量子态 光学控制

随着我国社会现代化建设的不断发展，我国的量子信息科学应用技术得到了卓有成就的发展，多组份量子纠缠态的重要性更加凸显，其能够为量子计算与量子网络通讯提供必要的技术支持，当前，我国量子学领域已经发现了多种类型的多组份量子纠缠态，其具备多种不同物理结构，因此对连续变量量子态的光学控制分析有着重要的实践意义与应用价值。

一、基于6.0dB连续变量EPR下纠缠态光场的产生

经过多次试验研究表明，光学参变放大器能够作为提升纠缠态光场的最佳选择，学者Qu对阈值下的NOPA输出的下转换真空模进行了验证，结果显示其呈现出明显的EPR量子关联特性。另外为增强明亮EPR光束的实用性，我国学者还对注入场不为0状态下的NOPA输出场特性进行了深入分析，并在参变放大与反放大的作用下最终获得了振幅正关联与反关联情况。在EPR纠缠态光束测量过程中往往会产生正交振幅以及相对应的噪声功率谱，具体见图1，同时采用两台谱仪对2MHz位置频率的量子噪声极限（QNL）进行测量，曲线1表示的是QNL，正交振幅反关联与正交相位正关联均低于其所对应的QNL（6.08±0.18）dB以及（6.22±0.16）dB，并由此得出量子关联起伏的实际数据为〈δ（Xa+Xb）〉=（7.30±0.18）dB，〈δ（Xa-Xb）〉=（7.50±0.16）dB，根据上述可知EPR纠缠态光束能够满足〈δ（Xa+Xb）〉+〈δ（Xa-Xb）〉=0.463<2的不可分判据条件。

二、线性光学控制连续变量多组份纠缠态光场

作为实现连续变量量子信息网络以及计算的重要资源，多组份纠缠态与ERP纠缠态往往是相对而言的，单纯从实验方面来看已经实现了四光子Cluster、五光子GHZ偏振、六光子GHZ以及Cluster纠缠态，其在连续变量方面也取得了鲜明的成效，不仅能够借助光学分束器实现对单模压缩态光场的有效控制，获得多个连续变量多组份纠缠态，而且还能够将其运用到量子离物传送网络系统及量子通讯中[1]。有学者建立了正交压缩态光场连续变量四组份纠缠态光场实验，并获取了Cluster与GHZ纠缠态，结果符合连续变量多组份纠缠的不可分判据要求。同年还提出了与GHZ态、Cluster态明显不同的新型四组份纠缠态，截至目前尚未形成与之对应的量子比特表达式，且每个纠缠判据不等式分别包含了三组分正交振幅与正交相位组合，又可以将其称为是连续变量TTPC纠缠态，其具体结构见图2。

三、TTPV纠缠态光场下的量子通讯网络

通常，在信息传输系统中，经典信息往往是以0或1的二进制数据形式得以呈现，若想使得2bit信息能够顺利传递，必须确保通讯双方能够达到两次以上信息的传递。近年来，科学界提出了量子信息的概念，学者开始致力于通过量子力学提升传输信道容量的研究，并取得了一定的研究成果[2]。学者Bennet所提出的纠缠粒子理念不仅打破了传统经典限制，而且在一定程度上提升了量子密集编码，其主要是通过对纠缠系统子系统的控制达到对2bit信息的有效传递。学者Mattle最早实现分离变量的量子密集编码，并逐渐将其应用到连续变量领域中。我国山西大学光电研究所针对这一问题进行了EPR纠缠光束实验，结果显示在通讯过程中采用量子密集编码能够极大提升信道容量，进而使信息传输效率得到提升。本次研究构建了TTPC纠缠态下的四站量子密集编码通讯网络系统，将b1、b2、b3、b4四个子模分别分发到与之相距较远的Alice、Bob、Claire以及Daisy四个通讯用户中，其相邻用户的通讯情况见图3。Alice能够利用振幅调制器以及相位调制器将所要传递的信息调制于其子模b1上，然后再发送到Bob，为了有效获取Alice所传递的信息，Bob必须争取其他两个通讯用户的帮助，然后再进行联合测量，进而获得Alice传输信息。

图3 TTPC模式下纠缠态光场的量子通讯网络示意图

四、压缩态与纠缠态光场的非线性控制

随着科学界对量子态研究的不断深入，人们逐渐认识到在光学参变作用下，一方面能够形成多种多样的非经典光场，另一方面能够通过对参变过程的有效控制实现对非经典光场的放大及其他方面的控制操作[3]。国外学者Andersen于2005年首次实现了对相干态光场的非相敏放大，并通过科学的控制对非经典光场进行任意放大。Agarwal通过多次试验研究，证实了光学参变放大器对注入量子态的重要作用，他认为在注入场以及下转换谐波场干扰作用下，光谱很容易出现分裂现象。

4.1压缩态光场的非线性控制

真空压缩态控制试验可以通过三共振简并光学参变放大腔得以实现，其具体试验方案见图4。通常，经过激光器分离作用后，将会产生出532与1064nm两道光束，将1064nm光摄入到模清洁器中并使其处于锁定状态，那么其出射的光将会呈现为两束，一束作为本振光所需的模拟光，另一束则可作为匹配所需要的模拟光[4]。而532nm则可以作为OPA以及OPO抽运光使用。可以在OPA中注入一定的OPO真空压缩光，以此探究OPA对真空压缩光的控制作用。在未注入抽运光的OPA腔中注入真空压缩态光场，并对其X分子量量子噪声进行测量，结果显示OPO腔的压缩真空态光场的压缩度噪声明显低于散粒噪声；而在注入抽运光的OPA腔中输入真空压缩态光场后，其X分量量子噪声与远失鞋噪声相比有明显增加，可以判定在此条件下注入压缩真空态光场将会被压缩，相应的X分子量噪声也会被压缩到一定水平，而Y分量噪声则呈现明显增加趋势。

5.2纠缠态光场的非线性控制

阈值下的II类非简并光学参变还能够在一定程度上实现对纠缠态光场的控制，研究在理论的基础上建立了相应的实验模型，采用了两个非简并光学参变放大器，分别用于产生初始EPR纠缠光束与对注入纠缠光束的控制，结果显示当这两个放大器均应用于反放大操作时，其纠缠态光场将会得到显著的提升，而在工作状态下，其纠缠关系也会发生明显的变化。

六、结束语

研究对量子态线性与非线性光学控制进行了深入分析，并构建了连续变量多组份纠缠光场及量子通信网络化操作，其能够在一定程度上提升光场压缩度与纠缠度，为该领域研究提供了必要的参考。另外，在参变放大器的作用下，压缩态光场与纠缠态光场能够得到明显的增强，进而提高压缩度与关联度，在通讯网络技术的支持下，量子信息科学未来将逐渐实现实用化发展。

参 考 文 献

[1]刘友明， 汪超， 黄端，等. 高速连续变量量子密钥分发系统同步技术研究[J]. 光学学报， 2015， 23（1）：88-97.

[2]娄小平， 陈志刚， 邓小鸿，等. 基于量子连续变量EPR态的经典消息匿名通信方案[J]. 中南大学学报（自然科学版）， 2014， 14（9）：3043-3048.

[3]赵军军， 郭晓敏， 王旭阳，等. 铷原子吸收线波段双色连续变量纠缠态的实验制备[J]. 山西大学学报（自然科学版）， 2013， 36（2）：192-195.

[4]苏晓龙， 贾晓军， 彭堃墀. 基于光场量子态的连续变量量子信息处理[J]. 物理学进展， 2016， 24（4）：142-143.

[5]宋汉冲， 龚黎华， 周南润. 基于量子远程通信的连续变量量子确定性密钥分配协议[J]. 物理学报， 2012， 61（15）：154206-154206.