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北京邮电大学硕士学位论文捕妻 关于制备与检测光孤子压缩态的若干实验研究 摘要 实现量子通信的最核心问题是制造量子态，本文的研究重点就是 量子态中压缩态的制备。第一：研制大功率、飞秒脉宽的c r 4 + ：y a g 激光器，将其用于产生压缩态的光源。我们对该激光器的腔型进行了 优化设计、分析了脉冲锁模机制、讨论了利用棱镜对消除色散的机理。 第二：我们对孤子压缩态的产生机制与产生条件进行了深入的理论分 析与研究。第三：我们研制了一种新型的全光纤结构的装置产生压缩 态，据我们所知，此为国内外首次。该装置简单、紧凑、全光纤型、 非常适合将来的量子通信在光网络中的发展。利用该装置，我们得到 了考虑损耗后达到6 2 d b 的压缩态，并且完成了不同结构以及不同长 度的光纤对压缩度的影响。研制的用于探测低子真空噪声的光电探测 板的3 d b 带宽为1 0 兆，饱和功率2 0 毫瓦左右，效率将近8 0 。本文 第一章介绍了量子通信的新进展；第二章对本实验室所研制的飞秒脉 冲激光器进行了介绍与讨论；第三章分析了压缩态的基本理论；第四 章论述了光信号的探测理论，介绍了用于量子通信中的光电探测器， 并分析了本实验室所研制的三种光电探测器；第五章介绍了我们用于 获得孤子压缩态的系统，并给出了实验结果与分析过程。 关键字：量子通信，飞秒脉冲激光器，光孤子，光电探测，压缩态 北京邮电大学硕士学位论文 麓要 e x p e r i m e n t s o no b t a i n i n ga n dd e t e c t i n gt h es q u e e z e ds t a t e t h ek e yp r o b l e mi nq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n si sq u a n t u ms t a t eo b t a i n i n g f i r s t l y , o u r p r i m a r ys t u d y i sh o wt o o b t a i ns q u e e z e d s t a t e ，d e v e l o p i n gh i g h - p o w e r , f e m t o s e c o n d - p u l s e w i d t hc r 4 + ：y a gl a s e ra st h el i g h ts o u r c eo fs q u e e z e ds t a t e w e h a v eo p t i m i z e dt h ec a v i t ym o d e lo ft h el a s e r ，a n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fp u l s e m o d e l o c k i n g ，d i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i n gu s i n gp r i s m c o u p l e s s e c o n d l y , w eh a v en l a d ea l li i l - d 印恤a n a l y s i so nt h eo b t a i n i n gm e c h a n i s m a n do b t a i n i n gt e r m s t h i r d l y , w eh a v es t u d i e dt h ei n f l u e n c e so fg a i na n dl o s so i lt h e l a s e r so s c i l l a t i o nt h r e s h o l d c o n d i t i o n , a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dp u l s eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c w eh a v ed e v e l o p e dan e wa l l f i b e rs c h e m ec o n s i s to ff e m t o s e c o n dl a s e r a n ds a g n a cr i n gt oo b t a i nq u a n t u ms t a t e w eu s ea2 x 2b r o a d b a n df i b e rc o u p l e rw i t h 9 0 ：1 0s p l i t t i n gr a t i ot or e a l i z eb e a ms p l i t t i n ga n di n t e r f e r i n g ，i u s t e a do ff i l m - c o a t e d g l a s si i lt h ea i ru s i n gb yf o r e i g ne x p e r i m e n t s a n dt h es q u e e z i n gi sa e c o p l i s h e di n a l l f i b e re n v i r o n m e n tc o n s q u e n t l y o u rl o w - n o i s ep h o t o d e t e c t o r s3 d bb a n d w i d t hi s 1 0 m h z ，s a t u r a t i o np o w e ri sa b o u t2 0 m wa n dd e t e c t i n ge f f i c i e n c yi sa b o u t8 0 w e h a v eg o ta6 2 d bs q u e e z i n gt a k i n gt h el o s s e si n t oa c c o u n t a n dd i s c u s s e dt h ee f f e c t so f f i b e rs t r u c t u r ea n dl e n g t h s i nt h ef i r s tc h a p t e ro f t h i st h e s i s ，w ed i s c u s st h en e wf i e n d o fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n i nc h a p t e rt w o ，t h ec r 4 + ：y a gl a s e ra n dt h er e l a t i v e r e s u l t sa r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e rt h r e e , b o t hq u a n t u mt h e o r yo fo p t i c a lp u l s e p r o p a g a t i o ni no p t i c a lf i b e ra n dt h eb a s i ct h e s i so fs q u e e z e ds t a t ea r es t u d i e d 。i n c h a p t e rf o 强w ef i r s t l ya n a l y s et h et h e o r yo f p h o t o - e l e c t r i c a ld e t e c t i o n s e c o n d l y , w e l i s tt h r e ec a t e g o r i e so fp h o t o d e t e c t e r sa p p l i e dt oo u rs c h e m e s i nc h a p t e rf i v e ，t h e 2 北京邮电大学硕士学位论文蔫要 s c h e m e a i m e dt oo b t a i ns o l i t o ns q u e e z e ds t a t ei si n t r o d u c e d m e a n w h i l e , w ed i s c u s s c o r r e s p o n d i n gr e s u l t so f a l le x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：q u a n t u mc o m r m m i c a t i o n , f e m t o s e c o n dp u l s ew i d t hl a s e r , c r 4 + ：y a g , o p t i c a ls o l i t o n , p h o t o n - e l e c t r i cd e t e c t i o n , s q u e e z e ds t a t e 3 独创陛( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：燃开期：圣竺丑至：丛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期i 旬论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 北京邮电大学硕士学位论文 鼙一章绪论 第一章绪论 1 1 量子信息的研究进展 量子信息科学是量子理论与信息科学相结合的产物。它在信息领域中有着独 特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方 面可能突破现有经典信息系统的极限【l 】。它包括量子通信和量子计算两大领域。 与经典信息以比特作为信息单元类似，量子信息的单元称为量子比特 ( q u b i t ) ，它是两个逻辑态的叠加态。 i 矿) = 口i o ) + j 1 ) d 口| 2 + l p l 2 = 1 ) ( 1 1 ) 经典比特可以看成量子比特的特例。用量子态来表示信息是量子信息的出发 点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演变遵从薛定 谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理( 计算) 是量子态 的幺正变换。 在实验中任何两态的量子系统都可以用来制备成量子比特，常见的有：光子 的j 下交偏振态、电子或原予核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空 问模式等。信息旦量子化，量子力学的特性便成为量子信息的物理基础，其主 要包括：叠加性、量子相干性、量子纠缠性以及量子不可克隆定理。量子力学的 线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制，这个定理和不确定性原理构成量子 密码术的物理基础 2 】。习惯上，人们总是在二维希尔伯特空间中研究量子信息， 例如量子不可克隆定理、量子离物传态以及量子密集编码方案最初都是在分离变 量体系中提出的。然而许多量子交量，例如粒子的位置和动量，光场的正交分量 都是连续的。虽然有限的纠缠以及纠缠对损耗的敏感性给连续变量纠缠的应用带 来一定的困难，致使连续变量量子信息发展缓慢，然而连续量子变量与分离变量 一样服从量子力学规律，分离变量具有的功能连续变量同样具有，此外已经证明 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 许多量子通信当中不可缺少的环节，如态置备、态操控、光传输以及探测，都可 以在连续变量系统中高效率的完成。在以光学模为基础的连续变量量子信息中， 通常采用调制边带的形式完成信息编码与传送，即是说利用电磁场起伏所形成的 边带模作为携带和传送信息的量子态。因此，对边模的分析，即量子噪声分析， 就成为连续变量量子测量与量子通信的中心工作。在量子光学实验中使用谱分析 仪通过对光电流的付立叶变换分析，提取边模噪声与调制信号，也通过对边模噪 声的测量和比较度量量子关联。 1 1 1 量子密集编码和量子离物传态 量子密集编码 3 】和量子离物传态 4 】是将纠缠态应用于量子信息的两个典型 实例。密集编码是利用一个e p r 对来编码和传输两个经典比特。由于事先可以将 e p r 对分配给通信双方。所以在物理上只需传输一个量子比特就可以实现两个经 典比特的通信。量子离物传态则正好与之相反，它是利用两个经典比特传输一个 量子比特。它们的关键之处都是在于使用纠缠，而且初始条件也是相同的，即 a l i c e 和b o b 之间通信并且各自拥有e p r 纠缠对当中的一个。两个关联粒子形成 的e p r 纠缠对可表示为 = 去d o o ) + 1 1 1 ) ) ( 1 2 ) v 二 分离变量量子密集编码实验研究已由奥地利的a z e i l i n g e r 小组于1 9 9 6 年率先完成 5 1 。2 0 0 0 年，中国科学院武汉数学物理研究所利用核磁共振技术也 实现了分离变量密集编码实验 6 】。随后，量子密集编码由分离变量系统推广到 连续变量系统【7 】【8 】。 1 9 9 3 年c h b e n n e t t 等四个国家的六位科学家联合发表了题为“经由经 典和e p r 信道传送未知量子态”的开创性文章，提出量子离物传态的方案，其目 标利用经典比特传输量子态，并且在接收方重构量子态。基本思想是 2 】：将原 物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道传送 给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者 2 北京邮电大学硬士学位论文 筹一章绪论 在测量中未提取的其余信息，接收者在获得这两种信息后，就可以制造出原物的 完美复制品。在这个过程中，原物未被传送给接收者，它始终留在发送者处，被 传送的仅仅是原物的量子态，因此被称为量子态的离物传送。原物的量子态对发 送者来说甚至可以一无所知，原物的量子态在发送者进行测量来提取经典信息时 已遭破坏，接收者在恢复原物量子态时将别的粒子( 甚至可以是与原物不相同的 粒子) 置于原物的量子态上，因此恢复过程是量子态的重构。由于量子信息对量 子态的离物传送是必不可少的，所以过程将不违背量子不可克隆定理，同时经典 信息也必不可少，而经典信息的传送速度不可能快于光速，因此量子离物传态也 不会违背相对论的光速最大原理。 1 9 9 7 年和1 9 9 8 年，奥地利和意大利科学研究小组通过i i 类自发辐射参量下 转换产生偏振纠缠的e p r 光子对，从实验上验证了c h b e n n e t t 等人提出的分离 变量的量子离物传态方案【7 9 】。连续变量的量子离物传态方案是1 9 9 4 年由 l d v a i d m a n 首次提出【9 】，1 9 9 8 年由美国h j k i m b l e 小组利用两个相位相干的 正交位相压缩光在5 0 分束器上耦合产生一对连续变量的e p r 纠缠光束，首先 完成了连续变量的量子离物传态实验【7 6 】，美国h j k i m b l e 小组对量子离物传 态实验进行改进后，实现了保真度为0 6 1 0 0 2 的量子态离物传送【l o 。澳大利 亚国立大学的p k l a i l l 研究组，利用两个经典相于量子独立的压缩光和分束器产 生了明亮e p r 纠缠态，并用于实现了量子离物传态( 保真度为0 6 4 + 0 0 2 ) 【8 2 】。 以上实验传输的位置态是一个相干态，然而从离物传态本身来讲，应该能传输任 意量子态( 包括纠缠态、压缩态等) ，日本的一个小组已经从实验上完成了压缩 态的离物传送，保真度达到0 8 5 0 0 5 1 1 l 】。而纠缠态的离物传态实际上就是后 面要介绍的纠缠交换。 1 1 2 量子密码术 2 0 世纪7 0 年代，s j w i e s n e r 提出了利用非正交态进行加密的“共轭编码” 思想【1 2 】。后来受这一思想的启发，c h b e n n e t t 等提出了b b 8 4 密钥分配方案 f 1 3 】，直接将量子物理应用到保密通信中，建立了量子密码术的概念。量子密码 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 术突破了传统加密方法的束缚，以量子状态作为密钥具有不可复制性，可以说是 “绝对安全”的。任何截获或寝4 试量子密钥的操作都会改变量子状态。这样截获 者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变知道密 钥曾被截取过。后来人们也提出了各种b b 8 4 方案的变形。1 9 9 1 年，a k e k e r t 提出了利用e p r 纠缠对实现密钥分配的方案u 4 。第一个实验演示量子密钥传输 是由美国和加拿大的c h b e n n e t t 和g b r a s s a r d 等人【1 5 】完成的。近年来，科 学家们已经在量子密码术的相关研究中取得了重大进展，能在光纤中传递量子密 码。近年来有几个公司制造的量子保密通信的样机并且已经有产品问世，所以说 量子密码术是量子信息当中最先实用化的一个【1 6 】【1 7 】 1 8 】。以前量子密码术的研 究工作是围绕分离变量体系展开的，而由于连续变量量子密码术可以利用目前成 熟的光通信技术，并有着高传输效率的发展潜力，近年来，一些小组也把目光投 向了连续变量量子密码术，提出了不同的连续变量量子保密通信方案【1 9 】【2 0 】。 不少方案都是利用压缩态，或者由压缩产生的纠缠态作为密钥的载体( 1 9 】。基于 相干态的方案也已经提出并已实验实现 2 0 】。目前，量子密码的方案主要有四种： 1 基于两组共轭基的四态方案，以c h b e n n e t t 等人于1 9 8 4 年提出的所谓b b 8 4 方案： 2 基于两个非正交态的方案，1 9 9 2 年，c h b e n n e t t 首先给出了利用非正交态 的密钥分配模型【2 l 】，称为b 9 2 协议； 3 基于正交态的密钥分配方案，该类方案最早由l i o rc o d e n b e r g 等提, h q 2 2 ， m a s a t o 等人作了改进【2 3 】，m o r 进一步推广，并给出了基于正交态密钥分配的充 分条件 2 4 1 ； 4 基于e p r 纠缠态的方案，应用量子力学的非局域性，以e p r 粒子对作为量子 通道来传送密钥。该方案由e k e r t 于1 9 9 1 年提出，称为e p r 协议或e 9 i 协议【2 5 】； 量子密钥分配( q k d ) 的第一个演示实验由c h b e n n e t t 等人完成【2 6 】，目 前的实验方向有：光纤中的q l ( d 和自由空间的q k d 。光纤中的q k d 实验已经逐渐 走向成熟 2 7 - 3 1 1 ，目前传输距离已经达到1 5 0 公里。自由空间中的q k d 也不断取 得突破 3 2 3 5 ，现在达到的传输距离为1 4 0 公里。这些实验都是基于b b 8 4 或b 9 2 协议，e 9 1 协议的q k d 也已取得重大进展 3 6 3 s 。 4 北京邮电大学磺士学位论文 纂一章绪论 1 1 3 量子纠缠交换 在许多文献中所报道的连续变量量子离物传态的被传量子态都是相干态。相 干态是最接近于经典态的光学场态，它通常被作为经典极限处理。对于量子离物 传态来说，最具挑战性的是传输非经典态，例如压缩态、纠缠态。压缩态量子离 物传送已经理论分析并且实验实现i n 。纠缠态的量子离物传态实际上正是纠缠 交换【3 9 】。纠缠交换首先是单光子偏振纠缠态的模型中提出的，意味着使两个没 有直接相互作用的体系发生纠缠，并且实验上已经实现【4 0 1 。据报道，g l e u e h s 小组已经完成连续变量纠缠交换的实验研究【4 l 】，其原理图为图卜1 。 1 ，2 ) 、 3 ，4 粒子分别处于纠缠态，在对 2 ，3 粒子进行一个b e l l 态探测之后，把探 测结果传输给4 粒子的持有者，她再进行一个依赖于测量结果的幺正变换，这样 1 ，4 j 粒子在没有任何直接相互作用的情况下就可以处于纠缠态。它相当于通过 粒子2 和3 的联合测量，将粒子2 离物传送到粒子4 ( 假若粒子4 接受到联合测 量的经典信息，并用以执行幺正变换) ，或者反过来，将粒子3 传送至粒子1 ( 假 若经典信息被送至粒子1 ) 。纠缠交换已经被推广到多粒子体系而且找到了一些 实际的应用【4 2 。所有这些研究都只是涉及到分离变量体系，后来 r e s p o l k i n g h o r n e 和t c r a l p h 提出了利用压缩态纠缠对单光子的偏振纠缠 实现离物传态【4 3 】。pv a l ll o o c k 和s l b r a u n s t e i n 则提出了压缩态纠缠的纠缠 交换，即利用压缩态纠缠实现另一个压缩态纠缠的离物传送【4 4 】。 图卜i 连续变量纠缠交换的实验原理图 北京邮电大学硕士学位论文簟一章绪论 1 2 研究背景 量子信息科学的研究不仅由于它的科学意义和学术价值引起物理学、信息科 学专家的兴趣，而且由于它的潜在的应用价值引起各国政府、军事部门、金融银 行业的重视。量子信息学包括量子通信、量子计算机 4 5 - 4 7 等几个方面。近年来 在理论和实验上都取得了重大的突破。量子密码术 4 8 ，5 4 1 ； t 用系统所具有的量子 性质，可以实现原则上不可破译的保密通信，解决现有的密码术不可解决的难题。 量子通信的远程传态的实现，不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘 规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大 容量的信息传输，突破经典通信极限。目前，有关量子通信的实验研究已经成为 量子信息科学中的研究热点，其中非常重要的一点便是量子态的制备。 一方面，压缩态的制备是制备纠缠源的前提条件。目前，利用连续变量进行 的量子通信所需的纠缠源主要是由相干态光场或压缩态光场制备的。在实验中， 某正交分量上可能产生比标准量子噪声小的量子态，这样的量子态称为压缩 态，并且利用处于此态的光束来获得比相干光更大的信噪比。由于量子测不准原 理，不可能同时压缩所有可观测量的起伏，但是可以重新分布光束的两个正交分 量的噪声，在实验中每次只测量正交分量中的一个，因此也只有这个正交分量对 系统的输出有贡献，从而使得光通信的性能得到改善。随着通信技术的发展，通 信系统的功能越来越接近量子极限，量子噪声成为影响通信容量的提高和误码率 的主要障碍【5 5 】，如何突破量子极限已引起了广泛关注。在经典通信中，光纤的 色散和非线性效应使得孤子可以长距离、无变形的传输。但是，在量子理论中， 由于非线性效应，光孤子的量子效应不再是稳定的，光孤子的压缩效应已在理论 中预测并在实验上观测到。在理论上，1 9 8 7 年，c a t e r 和d r u m m o n d 等人利用正 p 表示方法将量子非线性薛定谔方程转换成含噪声项的随机非线性方程，通过数 值解分析表明传播过程中孤子可以处于压缩态【5 6 】 5 7 】。1 9 8 9 年，l a i 和h a u s 利 用与时间有关的h a r t r e e 近似理论提出了非线性近似分析方法 5 8 1 。1 9 9 0 年，h a u s 和l a i 根据线性化方法提出了量子孤子微扰理论 5 9 】，进一步利用后向传播法来 计算非线性脉冲传播中的量子噪声【6 0 】。在实验上，许多实验已观测到孤子的压 缩效应。最早的是1 9 9 0 年在通信波长段观测到光孤子压缩 6 1 】。1 9 9 1 年r o s e n b l u h 和s h e l b y 利用萨干亚克干涉仪观测到了低于散粒噪声1 7 d b 的光孤子压缩 6 2 】。 在抑制了声波布里源散射效应后观测到6 1 d b 的压缩【6 3 】。利用外谱滤波器【6 4 】 或非对称s a 掣a a e 干涉仪 6 5 】可以得到正交压缩。最近研究发现，压缩孤子的不同 频谱部分存在量予相关性 6 6 】。以上理论和实验都是在光纤中产生的压缩孤子， 6 北京邮电大学顿士学位论文第一章绪论 予，它不仅充分利用了强脉冲在光纤中激发的强的非线性效应，而且也充分利用 了孤子在光纤中波形稳定性的易观测性，使得实验可以较容易的实验。 另一方面，纠缠源的制备是实现量子通信的关键。目前，已经存在几种类型 的纠缠源：纠缠光子对，纠缠态光场，基于腔量子电动力学的纠缠原子【6 7 】，制 备在电磁p a u l 阱中的纠缠离子【6 8 】，还有利用核磁共振技术在一个单分子内核自 旋之间的可控纠缠【6 9 】，甚至人们也在研究固体纠缠源【7 0 】，以利用将来量子计 算机中纠缠源的集成。但到目前为止，在产生高质量纠缠源方面，利用量子光学 技术所产生的纠缠被证明是最成功的 7 1 1 ，它们又可以分为两大类，一类是存在 于单光子之间的纠缠，即通常所说的分离变量纠缠，主要是利用非共线i i 类相位 匹配的自发参量下转换，产生的两个偏振正交的单光子，它们的偏振之间具有纠 缠 7 2 1 ；另一类是存在于光场的具有连续谱的正交分量之间的纠缠，即通常所说 的连续变量纠缠，这一类纠缠可以利用非简并光学参量发大器直接获得 【7 3 7 4 7 5 ，或者通过兼并光学参量放大器先产生单模压缩态，而后通过线性光 学分束器耦合而成【7 6 】【7 7 】 7 8 】。分离变量纠缠的研究方面，已经取得了令人瞩目 的成绩，目前已经利用它完成了量子离物传态【7 9 】、量子密集编码 8 0 】、纠缠交 换【8 1 】等重要的量子信息实验，实验上已经产生了三光子、四光子以及五光子纠 缠【8 2 】。然而由于这些实验都是利用自发参量下转换，所以纠缠光子对的产生是 几率性的。值得庆幸的是，随着将来腔量子电动力学的发展，实验上有望得到决 定性( 非几率性) 的单光子源以及纠缠光子对。在研究分离变量纠缠的同时，连 续变量纠缠的理论与实验研究也在进行。事实上，最初e p r 佯谬就是在连续量 子变量，粒子的位置和动量的基础上提出的。我们实验室要制备的纠缠源即为连 续变量量子纠缠源。 连续变量量子纠缠是与量子噪声被“压缩”直接相关的一种重要量子效应。 理论 8 3 8 5 1 与实验 7 3 7 5 均已证明，非简并光学参量放大器产生双模压缩态光场 所包含的一对耦合模之间具有量子非局域关联，称之为压缩态纠缠或e p r 纠缠。 1 9 9 2 年美国的 lj k i m b l e 小组用i i 类匹配的k t p 晶体作非线性介质，通过非简 并参量放大过程，获得两偏振正交的信号光与闲置光，实验得到 吃一( 而i 恐) 吃。i 照) = o 7 0 + 0 0 1 7 3 1 ，但由于输入信号为真空场，导致输出场 的平均能量接近于零，虽然他们之间有e p r 关联，但很大程度上限制了它们的应 7 北京邮电大学硕士学位论文 繁一章结论 用。1 9 9 8 年h j k i m b l e 小组利用阈值以下简并参量过程产生两束频率简并的正 交位相压缩光，通过5 0 分束镜产生了e p r 纠缠光束，实现了连续变量的量子 离物传态，保真度为0 5 8 0 0 2 7 6 。2 0 0 1 年，德国的g 1 e u c h 小组利用非对称 光纤s a g n a c 干涉仪中的k e r r 非线性效应获得明亮的振幅压缩光，而后通过5 0 ： 5 0 光学分束镜进行耦合产生了e p r 纠缠光束，所得结果是 吃“( 五i 而) “i 儿) = o 6 4 0 0 8 ，瑶( z ) + 喵( y ) = o 8 0 0 0 3 【7 8 。2 0 0 3 年， 澳大利亚国立大学的p k l a m 研究组，利用两个经典相干量子独立的压缩光和分 束器产生了明亮e p r 纠缠态，并用于实现了量子离物传态( 保真度为0 6 4 0 0 2 ) 8 6 】。 另外，利用强度极高的脉冲光能够产生非常明显的非线性现象，并且脉冲的 高峰值功率使得散粒噪声远远大于热噪声和暗电流噪声，这样就将容易观测到诸 如压缩态与纠缠态的实验现象。飞秒脉冲是峰值功率极高的脉冲光，正因为如此， 飞秒激光器作为产生孤子压缩态和e p r 的理想脉冲源得到了国内外科学家的重 视。此外，飞秒脉冲激光器还有很多用途，用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物 等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来作生物样品的三维图象 8 7 1 。用 飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，简称o c t ) 可观察活体细胞的三维图象 8 8 】，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用 飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子 的反射可用来实时测量半导体薄膜的厚度 8 9 1 ，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒 脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺【9 0 】【9 l 】，因为飞秒脉冲不是靠热效 应先熔化再蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现 有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高 次谐波及x 射线，并有可能用于受控核聚交 9 1 1 。 1 3 本文主要安排 本文主要讨论利用光孤子产生光学压缩态。对于产生孤子的光源来说，脉宽 越窄脉冲在光纤内产生的非线性效应越明显，并且脉冲的高峰值功率使得散粒噪 声远远大于热噪声和暗电流噪声，这样就将容易观测到诸如压缩态与纠缠态的实 8 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 验现象，压缩度也越大。全文的结构如下：第二章首先研究飞秒脉冲激光器，j f l l 用飞秒脉冲产生孤子压缩态，其可以直接进行量予密码术的研究，亦可以将其在 分柬器干涉后产生连续变量的纠缠，然后进行量子通信的研究；第三章主要研究 孤子压缩态的基本理论与产生机制；第四章阐述了光电探测理论，并介绍了用于 探测光学压缩态的光电探测器：第五章讨论了用于获得孤子压缩态的实验系统， 并对实验结果进行了讨论。 参考文献 【1 】gl e u c h s ，t c r a l p h ，s c h e m ef o rt h eg e n e r a t i o no fe n t a n g l e ds o l i t o n sf o r q u a n t u mc o m m u n i c a t i o n , j m o d o p t 1 9 9 9 p 1 9 2 7 1 9 3 9 【2 】郭光灿，量子信息引论，量子力学新进展( 第一辑) ，北京大学出版社，2 0 0 0 f 3 】c h b e n n e t ta n ds j w i e s n e r , p h y s r e v l c t t 6 9 ，1 9 9 2 ，1 9 9 2 2 8 8 1 【4 】c h b e n n e t t , g b r a s s 莉，c c r e p e a n ，r j o z s a , a p e r e s ，w i c w o o t e r s ，p h y s r c v l c t t , 7 0 ，1 9 9 3 ，1 8 9 5 5 】k m a t t l e ，h w e i n f u r t e r , e g k w i a t , a n da z e i j i n g e r , p h y s ，r e v l e t t 7 6 , 19 9 6 , 4 6 5 6 6 3x i m i n gf a n g ，x i w e nz h u , m a n gf e n g ，x i a nm a n ，a n df e id u ，p h y s r e v a 6 1 ， 2 0 0 0 ，0 2 2 3 0 7 【7 】s l b r a u n s t e i n ， l j k i m b l e ，p h y s r e v a6 1 ，2 0 0 0 ，0 4 2 3 0 2 8 】j i n gz h a n g ，k n n c h ip e n g ，p h y s r e v a6 2 ，2 0 0 0 ，0 6 4 3 0 2 【9 】l v a i d m a n ，p h y s r e v a 4 9 ，1 9 9 4 ，1 4 7 3 1 0 】t c ，z h a n g ，k w g o h , c w c h o u , e l o f l a h l ，a n dh j k i m b l e ，p h y s r e v a6 7 ， 2 0 0 3 ，0 3 3 8 0 2 【1 1 】n t a k e ie ta 1 ，a r x i v ：q u a n t - p h 0 3 1 1 0 5 6 ，2 0 0 3 【1 2 】s w i e s n e r , s i g a c tn e w s15 ，1 9 8 3 ，7 8 9 北京邮电大学硬士学位论文簟一章绪论 【1 3 】c h b e n n e t t , & g b r a s s a r d , p r o e i e e ei n t c o n f o nc o m p u t e r s ，s y s t e m sa n d s i g n a lp r o c e s s i n g ( b a n g a l o r e ) ，1 7 5 - 1 7 9 ( i e e bn e wy o r k , 1 9 8 4 ) 1 4 】a k e k e r gp l a y s r e g l e t t 6 7 ，1 9 9 1 ，6 6 1 1 5 】c h b e n n e t t , e b e s s e t t e ，g b r a s s a r d , l s a l v a i l ，a n dj s m o l i n , j c r y p - t o l o g y5 , 3 ( 1 9 9 2 ) f 1 6 】i d q u a n t i d u es a ( g e n e v e ，s w i t z e r l a n d ) ，h t l p ：w w w i d q u a n t i q u e e o m 1 1 7 】m a g i qt e c h n o l o g i e s ( s o m m e r v i u e ，u s a ) ，h t t p ：w w w m a g i q t e e h e o m 1 8 】n e cl t d ( t o k y o ，j a p a n ) ，h t t p ：w w w n e c e o m 【1 9 】c h s i l b e r h o r a , n k o r o l k a v aa n dg l e u e h s ，p h y s r e v l e t t 8 8 ，2 0 0 2 ，1 6 7 9 0 2 【2 0 1e g r o s s h a n sa n dp o r a n g i e r , p h y s r e v l c t t 8 8 ，2 0 0 2 ，0 5 7 9 0 2 【2 1 】c h b e n n e t t ，p h y s r e v l e t t 6 8 ，1 9 9 2 ，3 1 2 1 【2 2 】l i o rg o l d d e n b e r ya n dl e vv a i d m a n , p l a y s r e v l c t t 7 5 ，1 9 9 5 ，1 2 3 9 【2 3 】m a s a t oa n dn o b u y u k ii m o t o ，p h y s r e v l e t t 7 9 , 1 9 9 7 ，2 3 8 3 【2 4 】t a lm o r , q u a n t p h 9 8 0 2 0 3 6 【2 5 a k e k e r t ，p h y s r e v l e t t 6 7 ，1 9 9 1 ，6 6 1 【2 6 】c h b e n n e t ta n dg b r a s s a r d ，s i g a c tn e w s2 0 ，1 9 8 9 ，7 8 【2 7 】p d t o w n s e n d ，n a t u r e3 8 5 ，1 9 9 7 ，4 7 【2 8 】a m u l l e r , e ta 1 e u r o p h y s l e t t 2 3 ，1 9 9 3 ，3 8 3 2 9 】j d f r a n s o na n dh r i v e s ，a p p t o p t 3 3 ，1 9 9 4 ，2 9 4 9 【3 0 1r jh u g h e s ，e ta 1 j m o d o p t 4 7 ，2 0 0 0 ，5 3 3 3 1 】d s t u c k i ，n g i s i n ，o g u i n n a r d ，g r i b o r d y , h z b i n d e n , q u a n t - p h 0 2 0 3 1 1 8 【3 2 w z b u r e r ，r j h u g h e s ，p g k 晰她g g l u t h e r , g l m o r g a n ，j e n o r d h o l t ， c g p e t e r s o n ，a n dc m s i m m o n s , p h y s r e v a5 7 ，1 9 9 8 ，2 3 7 9 【3 3 w t b u t t e r , r j h u g h e s ，e c l k w i a t ，s k l a m o r e a u x ，g g l u t h e r , g l m o r g a n , j e n o r d h o l t , c g p e t e r s o n , a n dc m s i m m o n s ，p h y s r e v l e r 8 1 ，1 9 9 8 ，3 2 8 3 【3 4 1w b u t t e r , c ta l ，p h y s r e v l e a 9 4 ，2 0 0 0 ，5 6 5 2 3 5 1 c k u r s i e f e r , p z a r d a , m h a l d e r ，h w e i n f i n t e r , p m g o r m a n , e r t a p s t e r , j g r a r i t y , n a t u r e4 1 9 ，2 0 0 2 ，4 5 0 【3 6 t j e n n e w e i n , c s i m o n , g w j i h s ，h w e i n f u r t e ra n da ，z e i l i n g e r , p h y s r e v l e t t 8 4 , 2 0 0 0 , 4 7 2 9 【3 7 】d s n a i lc g p e t e r s o n ，a g w h i t e ，a j b e r g h m d ，a n dp g k 谢a t ，p h y s r e v l e t t 8 4 ，2 0 0 0 ，4 7 3 3 【3 8 】w 面t c c l l l l ，j b r e n d e l ，h z b i n d e n , a n dn g i s i n , p h y s r c v l e t t 8 4 ，2 0 0 0 , 4 7 3 7 3 9 】m z u k o w s h ie ta 1 ，p h y s r e v l e t t 7 1 ，1 9 9 3 ，4 2 8 7 1 0 北京邮电大学顼士学位论文 筻一章绪论 【4 0 】j - w p a n , d b o u w m e e t e r , h w e i n f u r t e r , m a da z e i l i n g e r , p l a y s r e v l e t t 8 0 , 1 9 9 8 3 8 9 1 2 【4 l 】o g i o e l s l o r e n z , c m a r q u a r t , j h e e r s i n ke ta l , p h y s r e v a ，2 0 0 3 ，0 1 2 3 1 9 4 2 1s b o s e ，v 地面，a n de l k n i g h t , p h y s r e v a5 7 ，1 9 9 8 ，8 2 2 【4 3 】1 l e s p o l