基于光场量子态的量子信息研究.doc

项目名称：基于光场量子态的量子信息研究首席科学家：王海 山西大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：山西省科技厅一、研究内容项目将围绕重大科学研究计划“量子调控”专项中的“基于光场量子态的量子信息研究”的指南内容，瞄准利用光场量子态进行量子信息处理中的关键科学和技术问题，如：稳定可靠的纠缠光源的获得，有效的纠缠光纯化以及光与原子量子接口的实现等开展深入的研究。从实验上构建稳定可靠、可扩展、易操控的量子信息处理物理系统，以及在原理探讨中加强核心技术的获得。本项目拟解决的关键科学问题包括：1. 具有实用价值的纠缠态光源的研制：需解决以下关键问题：（1）研制高质量高功率全固态1.5m/1.3m 连续单频激光光源、窄线宽连续可调谐钛宝石激光器；（2）降低作为泵浦源的激光器的位相噪声使之达到散粒噪声极限，最大限度克服其对量子纠缠态光场纠缠度的影响；（3）改善反馈控制系统以降低光束间相对位相波动，提高非线性晶体的控温精度，以获得高纠缠度连续变量量子纠缠态光场；（4）当非简并光学参量振荡器运转于阈值以上时，研究解决两个下转换模在光学参量振荡腔内的不平衡损耗；（5）优化基于光纤的纠缠光源的参数，提高纠缠度，并使该系统全光纤化。2. 多色多组份纠缠态光场产生及量子态传输：需解决以下关键问题：（1）将作为泵浦源的光纤激光器输出噪声降低到散粒噪声极限水平；（2）寻找合适的控制参数，实现量子离物传态以及可控的量子克隆；（3）多色多组份纠缠态在传输和与节点发生相互作用过程中的消相干问题。3. 量子纠缠纯化和量子接口：需解决以下关键问题：（1）制备非高斯混合纠缠态光场；（2）获得高光学厚度、极低温度的冷原子系综；（3）减小原子退相干效应对量子存储的影响；（4）设计可行的探测系统, 消除杂散光的影响，完成光场量子态信号的探测。4. 单量子比特（光子或分子）的产生与探测及其在量子信息处理上的应用：需解决以下关键问题：(1) 利用低温超导技术实现微波段光场量子态的制备和表征;(2)实现光通信波段(即波长为1.3m,1.5m)和原子吸收线(即波长为780nm,850nm)的快响应时间、高量子效率和低暗计数率的超导单光子测量。主要研究内容：（）研制具有实用价值的纠缠态光源。（2）基于多色多组份纠缠态光场的量子信息网络。（3）实现连续变量纠缠纯化，通过光与原子介质（冷原子或EIT 介质）相互作用实现量子接口。（4）超导量子电子学在连续变量量子信息处理中应用的研究。具体内容包括： 1、研制具有实用价值的纠缠态光源：（1）利用全固态激光技术及频率变换技术研制稳定运转的1.3mm及1.5mm高功率连续单频激光光源；（2）利用自制的高功率全固态连续单频绿光激光器泵浦掺钛蓝宝石激光晶体，研制输出波长在780nm和850nm附近可连续调谐的窄线宽钛宝石激光器；（3）研究上述连续单频激光光源的频率、空间模式和噪声特性，实验探索在改善激光器的运转特性的基础上把泵浦激光的位相噪声降低至散粒噪声极限；（4）利用上述高质量激光作为泵浦源、通过准相位匹配晶体倍频和光学参量过程获得波长为1.3m、1.5m、780nm及850nm的连续变量量子纠缠态光源；（5）系统研究光学参量振荡腔内的各种损耗、光束之间相对相位的波动及注入信号光和泵浦光功率对压缩态光场压缩度和纠缠态光场纠缠度的影响，在实验上优化实验参数、讨论技术细节并解决可能存在的问题以提高纠缠态光场的纠缠度；（6）研制高功率全固态连续单频526nm激光器,利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器产生光通信(1.5m)和原子吸收波段(795nm)的“双色”连续变量纠缠态；（7）优化谐振腔结构和实验光路，研究实验装置整体化设计的过程中可能存在的技术问题，实现实验系统的整体化；（8）利用不同的光纤，通过不同的位相匹配方式，研制出1.5m、 800nm和1.3m等波段的量子关联光子对；（9）利用光纤中的Kerr非线性效应产生1.5m波段的压缩光场和纠缠光场；（10）研究光纤中的各种非线性效应，以及产生和影响纠缠保真度和光场压缩度的物理机制，完善1.5m波段的纠缠光源，实现系统的全光纤化，研制出易于操作的全光纤纠缠光源样机。 2基于多色多组份纠缠态光场的量子信息网络： (1)拟采用全光纤单频激光系统或全固态激光器作为光学参量过程泵浦光 源，采用光学滤波、反馈技术降低激光器输出噪声，获得散粒噪声极限的泵浦激 光源；（2）研究光学级联非线性过程中的量子关联问题，实验产生连续变量双色 三组份纠缠光源；（3）利用多色多组份纠缠光源开展量子克隆、量子离物传态实 验研究，为实现量子网络通信奠定基础。（4）探索多色多组份量子纠缠态与原子 系统作用过程中纠缠的建立与测量。（5）理论上研究基于多能级原子与量子腔场相互作用的多波混频过程产生多色纠缠光场的方案，通过原子相干性，实现不同 频率光场间纠缠的转移及转换效率和纠缠的增强；（6）理论研究在光纤连接的多 腔系统中原子纠缠态的产生，原子与光场之间纠缠的转换和量子态的传输，以及 基于多腔原子系统的量子网络。 3实现连续变量纠缠纯化及光与原子量子接口： （1）进行量子纠缠纯化的实验和理论研究。在分析目前已有连续变量纠缠 纯化方案的基础上, 结合目前我们的实验条件, 提出新的易于实际应用的纠缠 态光场纯化新方案。通过加减光子或者加入随机位相起伏等方法获得非高斯混合 纠缠态光场，在此基础上完成连续变量的纠缠态光场纯化，尽力减弱长程量子通 信中传输带来的退相干效应。（2）研究冷原子团物理参数（温度和光学厚度）与 原子记忆寿命和恢复效率的关系。冷原子温度和光学厚度对原子记忆具有重要的 影响，将通过控制MOT运转条件（冷却光强度、截面大小以及磁场屏蔽效果）改变冷原子物理参数，在不同条件下观察原子记忆寿命和恢复效率，探寻合适的冷原子条件，实现寿命长和恢复效率高的原子记忆。（3）进行光场正交分量存储与释放的研究。通过光泵浦将原子制备在“钟”跃迁量子态上，通过EIT 效应将探针光场的正交分量存储在原子自旋极化上，研究原子自旋极化退相干对光场正交分量存储保真度和恢复效率的影响, 探索合适的物理条件提高光场量子态存储保真度和恢复效率。（4）开展不同偏振方向光场正交分量量子存储的研究。首先利用四能级原子系统中的双-EIT透明窗口获得双通道存储与释放，演示出双通道原子记忆信号间的干涉。 在此基础上将不同偏振方向光场存储在相应的原子自旋极化通道上，观察原子自旋极化通道对光场正交分量存储的影响。使用任意偏振方向的光场进行量子存储, 实验中进一步提高光场量子态存储的保真度和恢复效率。（5）单光子偏振态的制备。研究光场与单分子的相互作用，进行光学操控与跟踪单分子，基于分子荧光实现单光子偏振态的制备与操控。 4. 超导量子电子学在连续变量量子信息处理中应用的研究： （1）利用可控的超导人工原子作为介质，研究在电路量子电动力学(类比于 原子腔量子电动力学)系统中实现微波段非经典量子光场及微波段多模纠缠态光 场的制备；并探索通过测量超导人工原子量子特性来表征这些微波段光场量子态 的方法。（2） 探索利用低温超导技术实现波长为780nm，850nm, 1.3m，1.5m的单光子探测。寻求利用低温超导技术实现更快响应时间、更高量子效率和更小暗计数率的单光子探测新方案。在超导薄膜和超导约瑟夫森结的实验制备和电子学测量方面开展实质性的研究。 二、预期目标总体目标：为使我国量子信息科学基础研究及相关技术居于国际前沿，同时结合重大科学研究计划“量子调控”专项中“基于光场量子态的量子信息研究” (2009)的指南内容, 我们确定了如下总体目标：研制稳定优质的纠缠态光源；实现连续变量纠缠纯化，利用量子光学、原子物理及固态技术等实现光与原子量子界面（接口）；建立具有两个节点的量子中继，开展量子通信网络的基础研究。同时探索利用超导量子电子学进行连续变量量子信息处理的新方法。 五年预期目标： 1. 研制得到稳定的 1.3m 及 1.5m 高功率全固态连续单频激光光源、窄线宽连续可调谐钛宝石激光器；利用准相位匹配晶体通过倍频和参量下转换过程，获得连续变量量子纠缠态光源，非经典光场的压缩度达 10dB、纠缠度达 7dB，在 1.5m 光通信波段上连续变量量子纠缠态光源的纠缠度大于5dB，完成纠缠度大于2 dB 连续变量量子纠缠态光源样机。 2. 研制出波长为 1.5m 的全光纤纠缠光源样机，纠缠光源带宽覆盖光通信 C 波段，纠缠光子对大于 106 对/纳米/秒/毫瓦；产生波长为 800nm 和 1.3m 波段的双色高纯度纠缠光子对，纠缠光子保真度大于0.99；产生基于光纤Kerr 效应的 1.5m 波段压缩态光场和纠缠态光场，压缩度大于7dB，纠缠度大于4dB。 3. 采用光学滤波、反馈技术将单频光纤激光器输出激光的噪声降低到散粒噪声极限；利用非临界相位匹配非线性参量过程实验实现连续变量双色三组份纠缠光源。 4. 利用双色三组份纠缠光源开展量子态传输研究，实现保真度大于 50% 的量子离物传态与1到2的量子克隆，为实现量子网络通信奠定基础。 5. 利用产生的连续变量纠缠态光场, 实现非高斯态的制备, 并在此基础上完成连续变量量子纠缠纯化。 6. 在冷原子 EIT 系统中, 获得显著的光减速（8000-10000m/s）；完成长寿命(0.5-1ms)原子记忆；实现保真度大于 60%、恢复效率达 2%-4% 的光场正交分量存储。 7. 利用低温工作的染料单分子作为工作介质，分子荧光光子的收集效率达到10%，信号光与背景光计数之比达到 20。实现基于单光子偏振态的量子信息的编码与传输。 8. 利用低温超导技术实现响应时间快(10-6s)、量子效率高(80%)和暗计数率小(0.02c/s)的单光子探测。 9. 发表高水平论文 40 篇以上，获得国家发明专利 10-15 个，培养博士生 40 名以上。 10. 综合以上研究工作基础, 利用所研制的稳定纠缠光源, 进行连续变量纠缠纯化，通过光与原子量子接口, 建立具有两个节点的量子中继，开展量子通信网络的基础研究。 三、研究方案总体研究方案 （一）学术思路、技术途径 本项目总体研究方案是利用自制优质纠缠光源, 采用纠缠纯化手段, 进行 有效光与原子之间量子态存储和转换, 最终建立两个节点的连续变量中继装置, 开展量子通讯网络研究。 1、具有实用价值的纠缠态光源的研制（1） 1.3m及1.5m高功率低噪声全固态连续单频激光光源的研制。方案一 ，利用全固态连续单频Nd:YVO4 激光器输出的低噪声1.064m激光作为泵浦源，泵浦准位相匹配晶体的光学参量振荡器，获得1.5m高功率低噪声连续单频激光光源；方案二，激光二极管泵浦合适的激光增益介质，如Er:Yb:YAB晶体，直接获得1.5m高功率连续单频激光光源；方案三，激光二极管泵浦Nd:YVO4激光晶体，直接获得1.3m高功率连续单频激光光源。研究上述全固态激光光源的频率、空间模式和噪声特性。拟采用控温共焦F-P腔作为频率标准、通过电子反馈伺服系统控制提高激光器的频率稳定性，使激光的位相噪声接近散粒噪声极限；拟采用窄线宽无源光学谐振腔作为模式清洁器改善激光光束的空间模式及位相起伏，使强度噪声降低到散粒噪声极限。（2）高稳定性窄线宽连续单频掺钛蓝宝石激光器的研制。采用自己研制的高性能全固态连续单频绿光激光器做泵浦源，通过设计合理的激光器环形谐振腔结构，有效避免谐振腔中出现的像散现象，谐振腔内插入光学单向器、选频调谐元件使激光器实现在780nm或850nm附近可调谐单频运转，并利用自制的高精细度控温共焦F-P腔和电子反馈伺服系统使激光器实现窄线宽运转。（3）利用上述高质量激光作为泵浦源、通过准相位匹配晶体倍频和光学参量过程获得波长为1.3m、1.5m、780nm及850nm的连续变量非经典光场。系统研究光学参量振荡器内腔损耗、非线性晶体控温精度、注入信号光和泵浦光及下转换信号光和本底振荡光之间相对位相波动等对获得光场压缩度的影响。通过改善电子伺服系统的共振频率和误差信号的信噪比来改善非线性晶体控温精度、谐振腔的锁定精度及光束之间相对位相波动，以获得高压缩度的正交分量压缩光场。（4）在获得高压缩度的正交分量压缩光的基础上，通过精确控制两束明亮正交分量压缩光之间的相对位相，并通过50/50分束器上进行耦合干涉，获得实用化的高纠缠度连续变量量子纠缠态光源，将连续变量量子纠缠态光场的波长扩展到光通信的窗口及原子吸收波段。（5）优化谐振腔结构和实验光路，研究实验装置整体化设计的过程中可能存在的技术问题，实现实验系统的整体化；（6）在研制获得高功率全固态连续单频526nm激光光源的基础上，利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器产生光通信(1.5m)和原子吸收波段(795nm)的“双色”连续变量纠缠态；研究泵浦源的功率、噪声等特性，以及光学参量振荡器（放大器）的结构和损耗等参数对纠缠态光场纠缠度的影响机理及克服办法。（7）用中心波长为1.5m的脉冲激光泵浦光纤，产生1.5m波段的量子关联光子对；用中心频率约为1m的脉冲激光泵浦零色散波长为1m的光子晶体光纤，产生波长分别为800nm和1.3m波段的高纯度量子关联光子对。通过将两个偏振垂直的自发四波混频过程所产生的光子对相干叠加得到偏振纠缠光子源；通过将两个自发四波混频过程产生的光子对锁定位相并在50:50分束器处相干叠加产生频率纠缠；用锁模脉冲激光泵浦光纤，锁模脉冲间的位相相干可使得由自发四波混频参量过程产生的光子对具有时间序列纠缠。（8）利用光纤中的Kerr非线性效应产生1.5m波段的连续变量纠缠光场。首先采用中心波长为1.5m的脉冲光泵浦对称非线性Sagnac光纤环，产生1.5m压缩光场。然后将两束压缩光场锁定位相并在50:50分束器处相干叠加产生纠缠光场。（9）研制出易于操作的全光纤纠缠光源样机。研究光纤中四波混频、拉曼散射和自相位调制等非线性效应及其内在联系，分析泵浦光带宽、光子对失谐和带宽等实验参数对光子对关联特性的影响，优化实验参数，提高纠缠光子的纯度。用光纤光栅、光纤耦合器和WDM滤波器等商业化光纤器件代替系统中的分波和滤波器件，将中心波长约为1.5m的光纤脉冲激光器小型化，并将它与产生纠缠光子的光纤和实验系统中的其它光纤器件集成在一个19英寸的4U标准机盒中。2.多色多组份纠缠光源的制备及量子信息网络的研究1）拟采用波长为1080nm（或1100nm）单频光纤激光器通过光纤激光放大器作为泵浦源，虽然光纤激光器有其优点，但放大过程中固有的噪声特性影响其在量子光学中的应用。采用光学滤波并结合反馈技术压低输出光噪声，获得稳定的接近散粒噪声极限的泵浦激光。采用谐振倍频产生二次谐波泵浦非临界II类相位匹配KTP晶体光学参量振荡器(OPO)，获得高质量纠缠光源。同时研究II类相位匹配参量过程级联非线性特性，在同一参量过程中获得540nm、1080nm（或1550nm、852nm与550nm）的多色三组份纠缠。以多组份纠缠态光场为基础设计量子信息网络，探索通过玻色场模与单量子比特(原子或分子)相互作用发展量子信息处理的新方法。2) 量子态的量子离物传输与克隆。通过测量信号和闲置光的量子关联，对纠缠光的相干性进行研究。利用产生的纠缠光开展量子传输研究，在Alice处（发送站）将纠缠光束的一束与待传输的非经典光场在分束器上耦合，采用Bell态直接测量的方法获得正交位相与振幅信号，精简测量过程。通过经典通道将信号传送到Bob处（接收站）。Bob利用经典通道信号调制参考光束，并利用分束器将调制后的参考光与纠缠光束的另一束（量子通道）混合，重构输入态。利用线性光学元件分束器、及反馈装置实现1到2的量子克隆，在量子克隆过程中引入纠缠光束填补分束器真空通道，实现可控的量子克隆和量子离物传态，同时研究纠缠特性对这两个过程保真度的影响及其这两个过程保真度的关联。3) 利用可控的超导人工原子作为介质，尝试在电路量子电动力学(类比于原子腔量子电动力学)系统中实现微波段非经典量子光场及微波段多模纠缠态光场的制备。由于超导约瑟夫森结系统的能级间隔刚好是微波波段，故通过调控此系统的量子跃迁，可以决定性地制备微波波段量子光场态。另外微波波段的量子态衰减比较慢，原子-场相互作用较强(比通常cavity QED系统大2-3个数量级)， 这将为连续变量量子信息处理提供更快的场与原子的量子接口。 4）采用低温工作的染料SRfluor Dyes 680单分子作为工作介质，通过微电场构造偶极力阱操控单分子的偶极空间取向，对单分子进行转动扩散跟踪，微型光学谐振腔用于增强光场与单分子的相互作用，提高单光子收集效率。通过光学操控单分子，实现制备与操控单光子偏振态。3 实现量子纠缠纯化，利用光与原子量子接口实现量子中继 1) 量子纠缠纯化我们将利用两个非简并光学参量放大器输出两对EPR纠缠态光场, 在纠缠态传输的光路中通过加减单光子或者加入随机位相起伏的方法，得到非高斯混合纠缠态，将两束这样的非高斯态纠缠态光场分别在分束器上耦合，随后对其中的部分输出光进行测量，并用测量结果对剩余光束设定一门限，通过后续选择消除位相起伏等其他因素对纠缠态光场的影响, 恢复光场初始纠缠度。2) 利用EIT效应实现光与原子间的量子接口 使用冷原子 EIT 系综作为原子记忆介质。 首先改进 MOT 系统，获得高光学厚度、极低温度的冷原子团介质。为提高量子存储寿命提供物理基础。通过EIT过程使探针光存储在原子自旋极化上，研究原子记忆寿命与光学参量条件的关系,获得长寿命原子记忆的物理条件。使用泵浦光将原子制备在“钟”跃迁能级上,采用合适的偏振光（探针光、耦合光）与原子作用，构成 EIT 系统。 利用 EIT动力学过程将光场正交分量信号转化为原子自旋极化，使用零拍探测装置探测恢复光场的正交分量信号，进行光场正交分量存储与释放的研究。采用可行的滤光装置，消除杂散光对量子光场信号探测的影响。在不同的条件下观察原子自旋极化退相干对光场正交分量存储保真度和恢复效率的影响，探索减小原子退相干的物理条件, 提高光场量子态存储寿命和保真度。通过光泵浦构建四能级Tripod原子系统，获得双-EIT窗口, 进行双通道光场存储与释放的研究, 演示出双通道原子记忆信号间的干涉。在此基础上，开展不同偏振方向光场存储在原子相应的自旋极化通道上的研究，观察原子自旋极化通道对光量子存储保真度和恢复效率的影响， 实现任意偏振光场量子存储，探索新的光与原子量子纠缠的新方法。选择合适的实验条件，进一步提高光场量子态存储的保真度和恢复效率。并在以上研究的基础上，实现光与原子间的量子接口。 4、利用低温超导技术实现高效单光子探测 在分析单光子探测主要原理的基础上，我们将寻求利用低温超导技术实现更 快响应时间、更高量子效率和更低暗计数率的单光子探测新方案。首先，我们将重现目前国际上流行的超导单光子探测模式，即利用光照射到电流合适偏置的超导薄膜上所产生的热量（大于库珀对结合能），拆散库伯对形成局部非超导态，这一非超导区的迅速扩散将使薄膜流过的电流大于其临界电流，从而成为非零电压的完全非超导态。其次，寻求可能的方式对上述探测模式进行改进。利用约瑟夫森结独特的伏安特性来提高探测效率和灵敏度。设置合适的约瑟夫森结直流置，使其稍微低于其临界电流。将光子照射到该约瑟夫森结上通过拆散库珀对从 而在结的一端改变超导体的位相，通过探测这一宏观位相的改变导致的结电流改变实现光子的探测。低温超导约瑟夫森结（铝结和铌结）的电子学伏安特性测量是超导量子计算领域中相对比较成熟的技术，因此有望有效地运用于单光子探测问题。在理论上分析比较各种超导单光子探测原理的基础上，在超导薄膜和超导约瑟夫森结的实验制备和电子学测量方面开展实质性的研究，优化超导单光子探测的方案，并找到最理想的实现方式。 （二）本项目的创新点与特色（1）研制与通信波段和原子吸收线相匹配且纠缠度高的连续变量纠缠光源，并完成纠缠源样机，指标达到国际最高水平。（2）研制多色多组份纠缠源，实现量子离物传态与1 到2 的量子克隆。（3）实现纠缠光的纯化。（4）完成长寿命原子记忆，并实现高保真度光场正交分量的量子存储。（5）利用超导技术，获得高效率、快响应、低暗计数的单光子探测。（6）探索微波段量子态的表征和测量。项目完成后将实现两个节点的连续变量的量子中继，为开展量子通信的研究提供重要基础。（三）可行性分析本项目是在分析比较国内外研究现状和发展趋势的基础上，结合重大科学研究计划“量子调控”专项中“基于光场量子态的量子信息研究”的指南内容提出的。近年来，连续变量量子信息科学受到了国内外科学技术界的广泛关注。由于光和原子（分子）组成的系统易于控制，连续变量纠缠态光场具有可以高效探测、频带宽、“无条件性”等特点，显示出量子连续变量已经作为发展量子通信和信息处理的一种新颖的工具而出现，最近已有实验上的突破，如相干态量子离物传态、量子密集编码、原子系综远距离纠缠制备等。但要完成量子通信、执行量子计算，还有许多重要的的物理和技术问题亟待研究和解决。希望通过本项目的实施和探索，在实验上构建稳定、可扩展、易操控的量子信息处理物理系统，建立具有两个节点的量子中继。申请本项目的研究团队具有开展和完成上述研究工作的能力和基础。山西大学彭堃墀院士领导下的量子光学团队长期以来在连续变量量子纠缠态光场产生与应用方面取得一系列成果，该团队获得了2008 年国家自然科学基金委“优秀创新群体”的资助。项目首席科学家王海教授，是2003 年国家杰出青年基金获得者，在光和原子相互作用研究领域取得优异成绩，他领导的研究组已建成研究光场和冷原子系统相互作用的实验研究平台，并和量子光学与光量子器件国家重点实验室中从事光量子器件及量子信息研究的张宽收教授和郜江瑞教授（推荐的课题组长）有着紧密的合作和联系。王海教授工作努力、能团结同志、学术思想活跃、具有创新精神，有能力和基础组织和完成本项目的预定目标。项目组成员近年来在实验上首次获得纠缠度大于 4dB 的明亮 EPR 纠缠光束，完成了连续变量量子密集编码等实验, 实验获得了连续变量四组份 Cluster 和 GHZ 态，并已开始进行多色多组分纠缠光源产生以及相关的量子离物传态与可控量子克隆的研究，为下一步量子信息网络研究奠定了重要基础。通过 EIT 强色散效应实现了光减速、光信号的量子存储与双通道释放，在冷原子 EIT 介质中观察到了多暗态共振信号, 并完成了原子特定 Zeeman 子能级全光学制备和探测的研究。西南交通大学韦联福教授研究组从事量子光学、量子信息和超导量子电子学的研究多年，在超导电子学和超导电工学应用等方面开展了大量的研究和开发工作。上述工作基础为本项目的开展和实施提供了可靠保障。(四) 课题设置各课题间相互关系围绕项目所要解决的关键科学问题、主要研究内容和预期目标, 设置了4个课题。 第1个课题主要完成具有实用价值的纠缠态光源的研制，产生与原子吸收线和通信波段相匹配的纠缠光源。这是项目基础，只有获得高纠缠度与通信波段和原子吸收线相匹配的稳定纠缠光源，才有可能进行课题2和3的研究。第2课题是基于多色多组份纠缠态光场的量子信息网络研究，主要实现多色多组份纠缠源的产生及其量子离物传态与1到2的量子克隆。第3个课题是实现连续变量纠缠纯化和光与原子量子接口。在提高量子光场纠缠度的同时，实现光场量子态在原子中的记忆，这是完成量子中继的关键。第4个课题是超导量子电子学在连续变量量子信息处理中应用的研究，寻求利用低温超导技术实现更快响应时间、更高量子效率和更小暗计数率的单光子探测新方案。最后，综合以上研究工作基础,建立具有两个节点的量子中继。课题1 ： 具有实用价值的纠缠态光源的研制研究目标：1）研制得到稳定的1.3m 及1.5m 高功率全固态连续单频激光光源、窄线宽连续可调谐钛宝石激光器；利用准相位匹配晶体通过倍频和参量下转换过程，获得连续变量量子纠缠态光源，非经典光场的压缩度达10dB、纠缠度达7dB，在1.5m 光通信波段上连续变量量子纠缠态光源的纠缠度大于5 dB，完成纠缠度大于2 dB 连续变量量子纠缠态光源样机。2）研制出波长为1.5m 的全光纤纠缠光源样机，纠缠光源带宽覆盖光通信C 波段，纠缠光子对大于106对纳米/秒/毫瓦；产生波长为800nm 和1.3m 波段的双色高纯度纠缠光子对，纠缠光子保真度大于0.99；产生基于光纤Kerr 效应的1.5m 波段压缩态光场和纠缠态光场，压缩度大于7dB，纠缠度大于4dB。研究内容：（1）利用全固态激光技术及频率变换技术研制稳定运转的1.3m 及1.5m 高功率连续单频激光光源；（2）利用自制的高功率全固态连续单频绿光激光器泵浦掺钛蓝宝石激光晶体，研制输出波长在780nm 和850nm 附近可连续调谐的窄线宽钛宝石激光器；（3）研究上述连续单频激光光源的频率、空间模式和噪声特性，实验探索在改善激光器的运转特性的基础上把泵浦激光的位相噪声降低至散粒噪声极限；（4）利用上述高质量激光作为泵浦源、通过准相位匹配晶体倍频和光学参量过程获得波长为1.3m、1.5m、780nm 及850nm 的连续变量量子纠缠态光源。（5）系统研究光学参量振荡腔内的各种损耗、光束之间相对相位的波动及注入信号光和泵浦光功率对压缩态光场压缩度和纠缠态光场纠缠度的影响，在实验上优化实验参数、讨论技术细节并解决可能存在的问题以提高纠缠态光场的纠缠度；（6）利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器产生光通信和原子吸收波段的“双色”连续变量纠缠态；研究泵浦源的功率、噪声等特性，以及光学参量振荡器（放大器）的结构和损耗等参数对纠缠态光场纠缠度的影响机理及克服办法；（7）优化谐振腔结构和实验光路，研究实验装置整体化设计的过程中可能存在的技术问题，实现实验系统的整体化；（8）基于光纤的三阶Kerr 非线性效应， 研制出波长为1.5m 的全光纤纠缠光源样机，纠缠光源带宽覆盖光通讯 C 波段；（9）利用光子晶体光纤，产生波长为800nm 和1.3m 波段的双色高纯度纠缠光子对；（10）产生基于光纤Kerr 效应的1.5m 波段压缩态光场和纠缠光场。经费比例： 26.7%承担单位： 山西大学、天津大学课题负责人： 张宽收学术骨干：李永民、苏静、郑耀辉、李凤琴、李学锋、李小英、谢洪波、任坤课题2 ： 基于多色多组份纠缠态光场进行量子信息网络研究研究目标：采用光学滤波、反馈技术将单频光纤激光器输出激光的噪声降低到散粒噪声极限；利用非临界相位匹配非线性参量过程实验实现连续变量双色三组份纠缠光源；利用双色三组份纠缠光源开展量子态传输研究，实现保真度大于50%的量子离物传态与1到2的量子克隆。研究内容：（1）研究光学级联非线性过程中的量子关联问题，实验产生连续变量双色三组份纠缠光源，为实现量子网络通信奠定基础。（2）利用压缩纠缠态光源开展受控量子克隆实验研究，分别实现输出不对称、正交分量不对称的连续变量可控量子克隆；同时利用多色纠缠光源开展量子克隆、量子离物传态实验研究，为实现量子网络通信奠定基础。（3）理论研究在光纤连接的多腔系统中原子纠缠态的产生，原子与光场之间纠缠的转换和量子态的传输，以及基于多腔原子系统的量子网络；实现非高斯多色纠缠光场的新原理和新方法，探讨多色光场纠缠的判据与度量方法；研究基于双色纠缠光（其一频率与原子跃迁共振，而另一频率位于光纤通讯窗口）实现原子态远距离量子隐形传态方案。经费比例： 24.6%承担单位： 山西大学、西安交通大学课题负责人： 郜江瑞学术骨干：张俊香、翟泽辉、董雅宾、李福利、李广良、王延申课题3 ： 实现连续变量纠缠纯化和光与原子量子接口研究目标：1）利用产生的连续变量纠缠态光场,实现非高斯态的制备,并在此基础上完成连续变量量子纠缠纯化。2）在冷原子EIT 系统中,获得显著的光减速（8000-10000m/s）；完成长寿命(0.5-1ms)原子记忆；实现保真度大于60%、恢复效率达2%-4%的光场正交分量存储。3）利用低温工作的染料单分子作为工作介质，分子荧光光子的收集效率达到10%，信号光与背景光计数之比达到20。实现基于单光子偏振态的量子信息的编码与传输。研究内容：（1）对纠缠态加入随机位相起伏，或利用加减单光子方法得到非高斯混合量子纠缠态，完成连续变量量子纠缠纯化；（2）研究冷原子团物理参数（温度和光学厚度）与原子记忆寿命和恢复效率的关系。冷原子温度和光学厚度对原子记忆具有重要的影响，将通过控制 MOT 运转条件（冷却光强度、截面大小以及磁场屏蔽效果）改变冷原子物理参数，在不同条件下观察原子记忆寿命和恢复效率，探寻合适的冷原子条件，实现寿命长和恢复效率高的原子记忆。（3）进行光场正交分量存储与释放的研究。通过光泵浦将原子制备在“钟”跃迁量子态上，通过EIT 效应将探针光场的正交分量存储在原子自旋极化上，研究原子自旋极化退相干对光场正交分量存储保真度和恢复效率的影响, 探索合适的物理条件提高光场量子态存储保真度和恢复效率。（4）开展不同偏振方向的光场正交分量量子存储的研究。将不同偏振方向光场的正交分量存储在相应的原子自旋极化通道上，观察原子自旋极化通道对光场正交分量存储的影响。选择合适偏振方向的光场进行量子存储,进一步提高光场量子态存储的保真度和恢复效率。（5）单光子偏振态的制备。研究光场与单分子的相互作用，进行光学操控与跟踪单分子，基于分子荧光实现单光子偏振态的制备与操控。经费比例： 32.03%承担单位： 山西大学课题负责人： 王海学术骨干：彭堃墀、谢常德、肖连团、贾晓军、苏晓龙、李淑静、王文哲、张云波、课题4 ： 超导量子电子学在连续变量量子信息处理中应用的研究研究目标：1）在电路量子电动力学(类比于原子腔量子电动力学)系统中实现微波段非经典量子光场及微波段多模纠缠态光场的制备。2）利用低温超导技术实现响应时间快(10-6s)、量子效率高(80%)和暗计数率小(2%)的单光子探测。研究内容：（1）将单模光场量子态的tomographic 重构技术推广到多模纠缠态情形，从而在物理上提供连续变量纠缠态的可供实验验证的描述，以及实验上可实现的连续变量量子态的表征。（2）探讨利用连续变量纠缠态实现量子力学一些基本定理、如Bell 定理(是否存在量子非局域关联的判据)和Kochen-Specker 定理(是否存在量子Contextuality 的判据)，并推广到多模情况。（3）利用光场的某些连续变量的独特物理性质，如压缩或反群聚现象等非经典效应进行量子编码，从而实现连续变量量子计算和连续变量量子密码技术等各种可能途径。特别是，将探索利用山西大学已经实现的明亮纠缠光为核心码态，实现对这些码态的有效操纵和测量来实现量子计算和量子密码技术的各种可能途径。（4）利用可控的超导人工原子作为工质，讨论在电路量子电动力学(类比于原子腔量子电动力学)系统中实现微波段非经典量子光场及微波段多模纠缠态光场的制备；并探索通过测量超导人工原子量子特性来表征这些微波段量子光场态的方法。从而为探索连续变量量子信息处理提供另一个可能的实验平台。（5）在理论上分析比较各种超导单光子探测原理的基础上，在超导薄膜和超导约瑟夫森结的实验制备和电子学测量方面开展实质性的研究，优化和实现超导单光子探测的方案。利用低温超导技术实现更快响应时间、更高量子效率和更小暗计数率的单光子探测。经费比例： 16.67%承担单位： 西南交通大学课题负责人： 韦联福学术骨干： 熊祥正、贾焕玉、常相辉四、年度计划2010.01-2010.12：1、具有实用价值的纠缠态光源的研制研究内容：（1）利用全固态激光技术及频率变换技术研制稳定运转的1.3mm及1.5mm高功率连续单频激光光源；（2）利用自制的高功率全固态连续单频绿光激光器泵浦掺钛蓝宝石激光晶体，研制输出波长在780nm和850nm附近可连续调谐的窄线宽钛宝石激光器；（3）利用不同的光纤，通过不同的位相匹配方式，研制出1.5m量子关联光子对。目标：全固态1.3mm及1.5mm高功率连续单频激光光源输出功率大于1W；全固态连续调谐的窄线宽钛宝石激光器输出功率大于1W；1.5m纠缠光子对大于106对纳米/秒/毫瓦。2、基于多色多组份纠缠态光场进行量子信息网络研究研究内容：实验上完成稳定运转的单频光纤激光器系统；利用光学滤波、反馈技术消除激光噪声，设计模式清洁器装置，选择合适的参数，以期在测量带宽内获得接近散粒噪声极限的泵浦激光，为实验产生纠缠光源奠定基础。理论上在多模高斯态基础上,研究通过加减光子的量子操控产生多色纠缠光场，多色纠缠的判据和度量,非经典性和纠缠的关系。目标：采用光学滤波、反馈技术将单频光纤激光器输出激光的噪声降低到散粒噪声极限。3、实现连续变量纠缠纯化和光与原子量子接口研究内容：（1）理论上提出连续变量量子纠缠纯化的实验方案。实验上分析泵浦光及注入光额外噪声对纠缠产生的影响，利用模清洁器过滤激光器的额外噪声，进一步提高量子纠缠态光场的纠缠度；（2）采用量子光学理论, 分析EIT过程中光量子信息与原子自旋极化相互转化的物理机制,为长寿命光场量子态存储提供理论基础; 在实验上改进MOT系统,获得较高数目的冷原子团, 提高冷原子团的光学厚度。利用冷原子介质进行光量子存储的研究，通过三能级EIT过程实现有效的光减速，光存储。研究冷原子团物理参数（温度和光学厚度）与原子记忆寿命和读出效率的关系, 为长寿命量子存储提供条件；（3）完善低温单分子光学测量系统。目标: 获得纠缠度大于6dB的连续变量量子纠缠态光场；俘获109冷原子数目, 使冷原子团光学厚度达到10，将光速减低到8000-10000m/s。4、超导量子电子学在连续变量量子信息处理中应用的研究研究内容：开展经典关联和量子纠缠判据和电磁感应透明在连续变量光量子信息处理中的应用等方面的理论研究; 装修改造实验用房，订购并安装单光子实验系统的主要设备。目标：在经典关联和量子关联（纠缠）区分的研究上取得进展，建立电磁感应透明的全量子理论，并成功应用于实现连续变量光量子信息处理和存储；试验用房装修完毕，调式成功极低温（稀释制冷机）系统（获得10mK级极低温环境）等核心实验系统。2011.01-2011.12：1、具有实用价值的纠缠态光源的研制研究内容：（1）利用全固态高功率连续单频激光光源作为泵浦源、通过准相位匹配晶体倍频和光学参量过程获得波长为1.3m、1.5m、780nm及850nm的连续变量压缩态光场；（2）研制高功率全固态连续单频526nm激光器,利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器产生光通信(1.5m)和原子吸收波段(795nm)的“双色”连续变量纠缠态；（3）利用不同的光纤，通过不同的位相匹配方式，研制出800nm和1.3m波段量子关联光子对。目标：1.3m、1.5m、780nm及850nm的连续变量压缩态光场的压缩度大于5dB；获得“双色”连续变量纠缠态；800nm和1.3m波段的纠缠光子保真度大于0.99。2、基于多色多组份纠缠态光场进行量子信息网络研究研究内容：实现稳定运转的非临界相位匹配KTP光学参量振荡器，实验上研究光学参量过程的级联非线性效应、级联非线性中量子关联，寻求实验获得双色三组份纠缠光源的条件；实验上首先获得两组份的纠缠光源，同时开展双色三组份纠缠光源测量的研究。理论上研究实现非高斯多色纠缠光场的新原理和新方法，以及多色光场纠缠的判据与度量方法,各种非相干作用的退相干效应以及抑制方法。目标：实现稳定运转的非临界相位匹配KTP光学参量振荡器，获得两组份的纠缠光源。3、实现连续变量纠缠纯化和光与原子量子接口研究内容：（1）通过后续选择的方法完成纠缠态光场的纯化，恢复输出场的纠缠度；（2）开展与原子吸收线相匹配的非经典光场的制备，为进行光场正交分量存储与释放的研究提供实验基础。进一步降低冷原子团温度(100-200mK), 获得长寿命原子记忆。 探寻合适的冷原子条件，实现高读出效率的原子记忆。通过光泵浦构建四能级Tripod原子系统，获得双-EIT窗口, 进行双通道光量子存储与释放的研究, 获得双通道原子记忆信号间的干涉，进行光场与原子量子纠缠新方法的探索； （3）利用光学谐振腔增强光场与单分子的相互作用，提高单光子收集效率和单分子光谱的信号背景比。目标：实验实现由于相散导致纠缠度降低的纠缠纯化；实现双通道光量子存储与释放，获得双通道原子记忆信号间的干涉（可见度60%），原子记忆读出效率达到2-4%；单分子光谱的信号背景比达到20，单光子收集效率达到10%。4、超导量子电子学在连续变量量子信息处理中应用的研究研究内容：开展连续变量量子力学基本原理验证方案的理论研究; 开展微弱信号测试的外围电路设计和测试工作。目标：在连续变量量子力学基本原理验证方案的理论研究方面取得重要成果；完成微弱信号的外围电路设计和测试工作，从而完成基于低温超导技术的热敏单光子探测系统的搭建。2012.01-2012.12：1、具有实用价值的纠缠态光源的研制研究内容：研究全固态高功率连续单频激光光源的频率、空间模式和噪声特性，实验探索在改善激光器的运转特性的基础上把泵浦激光的位相噪声降低至散粒噪声极限，并获得波长为1.3m、1.5m、780nm及850nm的连续变量纠缠态光源；进行连续变量纠缠态光源样机的试制；利用光纤中的Kerr非线性效应产生1.5m波段的压缩光场和纠缠光场。目标：1.3m、1.5m、780nm及850nm的连续变量纠缠态光场的纠缠度大于4dB；获得基于光纤Kerr效应的1.5m波段压缩态光场，压缩度大于7dB。2、基于多色多组份纠缠态光场进行量子信息网络研究研究内容：开展利用纠缠光的量子克隆以及可控量子克隆以及量子离物传态的实验研究；研究可控制参数对保真度的影响；调试非经典通道与平移变换装置。理论上研究原子与光场相互作用中光场的量子关联与多色纠缠, EIT和原子相干性对抑制退相干的作用以及对纠缠的产生和保持的影响。目标：实现利用纠缠光的量子克隆以及可控量子克隆以及量子离物传态的实验。3、实现连续变量纠缠纯化和光与原子量子接口研究内容：（1）通过减单光子或者双光子等非高斯操作方法完成连续变量量子纠缠态光场的纯化，使得输出场的纠缠度恢复甚至超过原始纠缠度；（2）通过光泵浦将原子制备在“钟”跃迁量子态上，使用非经典光场做探针光，进行光场正交分量存储与释放的研究。研究原子自旋极化退相干对光量子存储的影响, 探索合适的物理条件实现寿命长和恢复效率高的光量子存储；（3）通过光学操控单分子获得可控单光子偏振态。目标：通过非高斯操作完成连