具有反聚束特性的非经典光场是量子信息与量子光学的重要资源。基于非线性光学的量子干涉效应, 通过将压缩真空态与特定相位的相干态在光学分束器上合成的方法获得平移压缩真空态, 对压缩度和相干分量进行独立控制以获得反聚束。本文结合实验系统参数, 理论研究了压缩真空态的压缩度和相干态的幅度对实验产生反聚束光场的影响。在最优化平移条件下, 我们分析了系统总效率、背景噪声, 以及Hanbury Brown-Twiss(HBT)与Double HBT测量方法对反聚束光场g20测量的影响, 并讨论了误差为零处相应量子态的g20值和平均光子速率。

本文利用简并光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.5 μm压缩真空态光场, 压缩度为(5.03±0.13) dB。将已制备的1.5 μm压缩真空态光场和同频率本地振荡光采用偏振复用的方式耦合注入单模光纤中进行传输, 在理论和实验上研究了压缩真空态光场在光纤信道传输过程中经典和量子特性的演化, 并讨论了本地振荡光在光纤信道中引起的声导波布里渊散射对传输过程的压缩真空态光场影响。实验测量了1.5 μm压缩真空态光场在单模光纤中传输距离为8 km时, 压缩度为0.14 dB, 压缩特性仍得到保持。该研究为实现基于光纤的城域量子信息网络等奠定基础。

利用热纠缠态表象求解密度算符主方程方法,考虑双模压缩真空态中的一模经过激光过程衰减的情况,给出了双模压缩真空态在该过程中密度算符的演化规律。采用数值计算方法,讨论了一模的衰减和压缩参数变化对态的压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等量子特性的影响。研究结果表明:随耗散时间增大,光场的压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等特性都逐渐减弱,直至消失。另一方面,随双模压缩参数增大,压缩效应、反聚束效应、Cauchy-Schwartze不等式违背和两模间纠缠等量子特性均增强。

通过高阶压缩效应,高阶反聚束效应和二阶亚泊松分布等统计性质,研究了压缩真空态的高阶非经典性质。采用数值计算方法,讨论了压缩参数对态的高阶非经典性质的影响。研究结果表明: 压缩真空态呈现出高阶压缩效应和四阶反聚束效应,并且这些非经典性质均随压缩参数增大而增强。但它未呈现出一至三阶反聚束效应,也没有展示出一阶亚泊松分布和二阶亚泊松分布等特性。

基于分束器可产生纠缠的特性,提出基于分束器生成连续变量双模压缩态的方案,并求解纠缠条件。对于50∶50分束器模型,分析并提取相移影响因子后,基于量子态转换和Wigner函数分别分析量子态输出与输入相对压缩角和分束器相移影响因子之间的关系;利用段路明纠缠判据判断输出是否为纠缠态,并定义对数负值衡量输出纠缠度。结果表明,分束器相移影响因子和输入相对压缩角对输出纠缠的影响存在周期性,在半周期内输出表现为不相关到部分纠缠再到最大纠缠的变化;当且仅当在最大纠缠点处,继续增加输入压缩幅,纠缠程度继续增加。实验结果为单模压缩真空态经分束器产生最大纠缠态提供了思路。

将(a,b)双模产生算符组合和双模压缩算符先后作用在双模真空态上,构建了算符组合激发双模压缩真空态。采用数值计算方法,讨论了双模压缩参数和组合系数对b模压缩效应、反聚束效应、Q参量及两模间纠缠量等量子特性的影响。研究结果表明,b模光场不呈现压缩效应;随着压缩参数或组合系数u的增大,b模的反聚束效应和亚泊松分布性质均减弱。随着压缩参数的增大,两模间纠缠量增大;双模间纠缠量与算符组合系数间存在非线性关系。

干涉型激光雷达是通过相位干涉检测实现高精度目标距离探测的设备, 传统干涉型激光雷达相位探测灵敏度受到标准量子极限的限制, 从而限制了测距精度。为了进一步打破极限, 提高精度, 提出了基于压缩真空态注入的相位超灵敏度干涉型量子激光雷达方案, 可以使相位灵敏度突破标准量子极限, 并分别推导了Z探测法、强度差探测法和奇偶探测法情况下的相位灵敏度, 随后, 进行仿真计算, 并对性能的提升进行比较与分析。最后, 在灵敏度最好的奇偶探测法的基础上, 建立了存在传输损耗时的相位灵敏度模型, 讨论了实现超灵敏度允许的最大传输损耗。

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.

对应于碱金属原子吸收线的非经典光是量子信息网络中重要光源之一, 近年来受到人们的广泛关注。而对应于铯原子D1线的非经典光场由于其独特的波长在固态量子信息网络中有重要应用前景。采用连续单频钛宝石激光器作为光源, 将输出的锁定于铯原子D1线的894.6 nm激光通过外腔倍频产生447.3 nm蓝光, 再用于抽运由周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体作为非线性介质的连续简并光学参量振荡器, 获得铯原子D1线的单模正交压缩真空光。光学参量振荡器阈值为39 mW, 在注入抽运光功率为30 mW时, 利用平衡零拍探测装置测得2.8 dB正交压缩度。考虑到探测效率, 光学参量振荡器输出光场的实际压缩度为4.4 dB。

将三模压缩算符作用在三模真空态上构建三模压缩真空态。对三模中的两个模进行测量，讨论这种选择性测量对第三模的压缩效应、反聚束效应和光子统计分布的影响。研究结果表明：若测得第一和第二模场处于双模压缩态，那么第三个模场塌缩为单模压缩态，且其压缩效应得到增强；量子态测量可增强光子统计分布的非经典特性，但对第三模场的反聚束效应没有影响。