连续变量四组份纠缠光场产生和量子保密通信研究报告

1、.连续变量四组份纠缠光场产生和量子XX通信研究【摘要】：量子信息是当今国际科学技术界的前沿研究课题，主要研究如何利用量子力学基本原理及量子态的特性，如量子纠缠和态叠加等，完成信息处理、计算与传送。量子纠缠是量子力学最重要的精华内容之一，它被认为是量子信息和量子计算的重要资源。利用量子纠缠，人们可以在信息与计算领域完成经典物理不可能完成的工作。利用量子纠缠，通讯双方可以实现对一个量子态的高保真度远程传输，即量子离物传态；利用量子纠缠，通信双方可以实现经典信息的高信道容量传输，即量子密集编码；甚至可以使原本不纠缠的量子系统在不直接相互作用的情况下产生纠缠，即量子纠缠交换。量子力学的诸多特性也应用到

2、XX通信当中，可以从物理层面上达到真正意义的XX，实现绝对安全的量子密钥分发(Quantumkeydistribution，QKD)。各种利用量子纠缠的量子密钥分发方案，显示出独特的优越性。设计和实验实现有实际应用潜力的量子密钥分发方案，不仅有基础研究意义，而且有很强的应用需求。量子信息科学根据所利用的量子变量的本征态具有分离谱或是连续谱结构区分为分离变量与连续变量两大类，连续变量和分离变量量子信息有着不同的特点与应用前景，各具特色，目前正在平行发展。量子信息研究先从分离变量开始，随后被扩展到连续变量领域。连续变量量子通信具有比特速率高等潜在优越性，近十年引起广泛的研究兴趣。但与分离变量相比，

3、连续变量量子通信的实验研究仍相对滞后。虽然已利用连续变量两组份Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)纠缠实现了无条件量子态离物传送、量子密集编码及量子纠缠交换等量子通信的重要基础实验，然而发展量子信息的关键是实现量子信息网络。获得多组份纠缠态是下一步发展量子信息网络的基本工作之一。本论文的主要研究内容如下：1设计了连续变量四组份类Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)纠缠态和类Cluster纠缠态产生系统，并完成了产生四组份类GHZ纠缠态和类Cluster纠缠态的实验研究。利用一对运转于参量反放大状态的非简并光学参量放大器，产生的四个正交分量压缩态光

4、场(两束正交振幅压缩光，两束正交位相压缩光)，经适当的线性光学变换与量子非破坏(Quantumnondemolition，QND)耦合，通过对耦合光相对位相的控制，既产生了四组份类GHZ纠缠态，也产生了四组份类Cluster纠缠态。(PhysRevLett98，070502(2007)；“中国科学”已接受)2提出一种利用明亮的EPR纠缠光束完成连续变量密集编码量子XX通信的方案。纠缠源被放置在接收者处，仅利用纠缠光束的一束(信号光)往返传输信息，而另一束光场(闲置光)被接收者保留用于解调信息。信息发送者同时将振幅和位相信号调制到信号光场上，然后将其返回到接收者处，接收者利用连续变量量子密集编码

5、关联测量解调信号，因此信道容量被大大的提高。该方案可以直接利用量子纠缠突破连续变量量子XX通信的3dB损耗极限(PhysRevA74，062305(2006)3直接利用光场的EPR关联实现了连续变量量子XX通信。通信双方共享一对明亮的EPR纠缠光束，随机选择测量各自所拥有的光场的正交振幅或正交位相分量，并利用各分量间的量子关联建立密钥。此方案无需信号调制，通过量子起伏的局域测量和公开比对建立密钥和发现窃听者。从信息理论证明了方案的安全性。实验结果显示，我们的裸码速率可达1×107bits。(Paperinpreparing)4利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器，制备了强度高达2

6、2row的频率非简并纠缠态光场。用非平衡Mach-Zehnder干涉仪所测得的正交振幅与正交位相的量子关联度分别为1.25dB和0.60dB。该方法提供了制备和检测频率可调谐高亮度纠缠态光场的有效途径。(OptLett31，1133(2006)所完成的有所创新的研究工作如下：1设计了连续变量四组份类GHZ纠缠态和类Cluster纠缠态的实验产生系统，从理论上推导出四组份类Cluster纠缠态的完全不可分判据，计算了四组份纠缠对实验参量的依赖关系。首次从实验上获得了上述两类四组份纠缠态光场。2提出利用明亮EPR纠缠光束，通过双向传输实现连续变量密集编码量子XX通信的方案，通过理论计算证明了在高纠

7、缠度下直接突破3dB损耗极限的可能性。3提出一种利用EPR关联，无需信号调制，实现连续变量量子XX通信的新方案，并通过实验证实了该方案的可行性。4利用运转于阈值以上的非简并光学参量振荡器，制备了强度高达22mW的频率非简并纠缠态光场，并利用一对非平衡Mach-Zehnder干涉仪测定了光场的纠缠度。【关键词】：连续变量量子纠缠四组份类Cluster和类GHZ纠缠态非简并光学参量放大器连续变量量子密钥分发非平衡Mach-Zehnder干涉仪【学位授予单位】：XX大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：O431.2【目录】：目录5-13摘要13-16ABSTRACT16-20第

8、一章绪论20-291.1信息科学与物理学20-211.2量子纠缠及其研究进展21-231.3量子信息研究进展23-29第二章量子信息基础知识29-682.1量子信息的量子力学基础29-322.1.1量子力学的基本假设29-302.1.2量子态叠加原理302.1.3测不准原理30-312.1.4量子不可克隆定理31-322.2量子光学模型32-382.2.1量子噪声和压缩32-342.2.2线性化算符34-352.2.3量子边带表象35-382.3量子纠缠38-502.3.1纠缠38-402.3.2连续变量纠缠态的产生40-432.3.3连续变量纠缠光场的探测43-462.3.4两组份纠缠判据4

9、6-492.3.5多组份纠缠49-502.4量子XX通信基础知识50-572.4.1信息熵51-522.4.2互信息量52-542.4.3安全密钥速率542.4.4BB84QKD方案54-562.4.5连续变量QKD中的3dB损耗限制56-572.5常见的量子操作57-592.5.1单量子比特门57-582.5.2量子受控非门58-592.6常见的量子信息技术59-682.6.1量子密集编码59-612.6.2量子离物传态61-642.6.3量子纠缠交换64-652.6.4可控密集编码量子通信65-662.6.5量子态秘密共享66-68第三章连续变量四组份GHZ和Cluster纠缠光场实验产生

10、68-1003.1引言68-693.2类GHZ和类Cluster四组份纠缠态的产生原理69-813.2.1NOPA输出光场的压缩特性69-703.2.2类GHZ四组份纠缠态产生系统70-733.2.3类Cluster四组份纠缠态产生系统73-753.2.4四组份纠缠态不可分判据75-773.2.5数值计算和结果77-813.3连续变量四组份Cluster和GHZ纠缠态实验装置81-943.3.1激光器82-833.3.2NOPA腔83-843.3.3频率及位相锁定84-923.3.4四组份纠缠光场的产生92-933.3.5四组份纠缠光场的探测93-943.4连续变量四组份纠缠态光场产生的实验步

11、骤及实验结果94-993.4.1四个压缩态光场的实验制备94-963.4.2连续变量类GHZ四组份纠缠态光场的实验制备96-983.4.3连续变量类Cluster四组份纠缠态光场的实验制备98-993.5结论99-100第四章基于连续变量纠缠的密集编码量子密钥分发100-1184.1引言100-1034.2连续变量密集编码量子密钥分发系统103-1054.3安全性分析105-1144.3.1量子分束攻击的安全性分析105-1114.3.2截获再转发攻击的安全性分析111-1144.4方案可行性的实验证明114-1174.5结论117-118第五章利用EPR纠缠实现无信号调制的量子密钥分发118-1265.1引言1185.2量子密钥分发原理118-1205.3量子密钥分发方案安全性分析120-1235.4量子密钥分发实验实现123-1255.5结论125-126第六章高亮度频率非简并纠缠态光场的实验制备与探测126-1386.1引言126-1276.2OPO噪声特性127-1306.2.1稳态解1286.2.2强度差噪声特性128-1306.2.3位相和噪声特性130