量子弱测量理论现在已成为了大家都认可的一种新的测量理论体系并广泛地应用在和测量相关的各个领域当中。本论文主要详细地分析后选择量子测量的产物——量子模块值与弱值的关系,并介绍它们在解决量子光学基础问题中的应用。

通过Concurrence研究了充满Kerr介质的单模压缩真空场与两个耦合原子拉曼相互作用系统中的纠缠动力学。使用数值方法,讨论了纠缠与耦合参数、初始压缩系数和Kerr介质之间的关系。在这篇文章中,我们提出了几个有意思的结论:首先,当原子的偶极-偶极相互作用较弱时,Concurrence发生了周期性坍塌和复活的现象,而随着相互作用越来越强,坍塌和复活的现象消失,Concurrence出现了像Rabi频率一样更复杂的振荡;其次,原子的Concurrence随着初始压缩系数r 的增加而增强;此外,我们发现可以通过调节和控制NIKM的强度尽可能地接近最大纠缠。

量子光学中的相干态是一个纯态表象,用有序算符内的积分方法可以方便地引入一个混合态表象,其Radon变换是坐标——动量中介表象。进一步为了改善其不正定性,我们引入参数,使之纯态化。新的正定的纯态是一个平移压缩态,其特点是平移参数与压缩参数相关。

Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)导引是一种介于量子纠缠和贝尔非定域性之间的量子关联,它存在于不具有定域隐态模型描述的纠缠态中。定域隐态模型是指,对复合系统子系统的测量输出,包括测量结果和其余部分塌缩后的态,可以利用经典随机变量和制备单体态来模拟。构造一族态最优的定域隐态模型,等价于给出该族态EPR导引的充要判据。然而,定域隐态模型的构造是个相当困难的问题,现有的大部分结果都可以看成是Werner在1989年所给模型的在不同意义上的变形。本文首先介绍EPR导引及定域隐态模型的定义和一些普遍性质,而后重点讨论正交测量下两量子比特系统的定域隐态模型,其中尤其值得注意的是T态与Werner态在定域隐态模型问题上的对应关系。

本文利用基于Ⅰ类周期极化磷酸氧钛钾的光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator, OPO)产生了795 nm的真空压缩态,研究了不同透过率的OPO输出镜对压缩度和压缩纯度的影响。理论上,模拟了压缩态减光子制备猫态的Wigner 函数,发现在已产生的压缩态下,猫态的Wigner 函数原点呈现明显负性。

本文根据量子密钥分发协议的特点,对近期分别由M. Lucamarini等和马雄峰等提出的两类量子密钥分发协议,即双场量子密钥分发协议(TF-QKD)、相位匹配量子密钥分发协议(PM-QKD)与H.K等提出的测量设备无关的量子密钥分发协议(MDI-QKD)进行多方分析,确定比较基准和分类属性,在同一层次上横向比较了这三种协议在设备实现、诱骗态方法、光子源、干涉测量类型、密钥率、安全性证明等方面的特性,结果表明相位编码能有效提高光脉冲传输稳定性,结合单光子干涉以及相位后补偿方法能够进一步提高密钥生成率。

我们提出一个方案,在星型耦合腔QED网络中一步实现任意两个非直接耦合光腔中原子的两比特量子相位门操作。该操作是通过虚光子交换技术,使两个非直接耦合光腔中的原子与星型网络中心光腔中的辅助原子形成有效的非对称海森堡XY模型。通过数值模拟验证了方案的可行性。在系统的整个演化过程中腔模始终处于真空态,并且原子不被激发,原子的自发辐射与腔的衰减得到有效抑制,通过数值求解主方程可以证明操作对耗散不敏感。

在噪声信道上进行量子隐形传态的过程中,量子Cluster态(即团簇态)会发生消相干现象,造成隐形传态传输质量下降甚至传送信息失败。为克服该影响,本文提出了一种利用部分测量进行补偿优化的方法。首先分析了在五粒子团簇态所形成的量子信道上进行受控量子隐形传态的过程,然后推导了不同测量基下的量子坍塌态,最后成功接收发送方传送的信息。接下来,我们分析了在不同噪声信道上进行隐形传态对其性能的影响,并且依据部分测量的补偿机理提出保真度补偿的纠缠优化方法。仿真结果表明,相比于仅进行弱测量的纠缠补偿方法,本文使用的部分测量的方法可以实现更高的量子隐形传态保真度,此结论对提高噪声环境下的量子隐形传态保真度性能具有一定参考意义。

真空锁频系统是实现激光稳频的重要组成部分,在该系统中产生高分辨互组跃迁荧光谱((5s2)1S0→(5s5p)3P1)是分析原子谱线相关特性及精确测量跃迁频率等参数的前提。本文通过将装载有毛细管的准直器置于锶炉内,从源头减小原子束的发散角,将原子束的发散角减小至31 mrad。即减小原子束的横向速度,进而减弱光与原子作用的一阶多普勒频移,实验最终得到分辨率较高且线宽为26 MHz的互组跃迁荧光谱。锶原子互组跃迁荧光谱特性的相关研究对于光晶格原子钟锁频系统的建立具有重要意义,因此本文从实验上探讨并分析了锶炉温度和激光光强等因素对互组跃迁荧光谱的影响。

本文解析研究了6Li超冷费米气体宽Feshbach共振散射动力学演化过程，将整个散射过程转化为一个单重态和一系列准连续态的散射共振，等效于涉及接触势的散射过程，在原子波包的持续时间内，束缚态中不断地出现原子布居，并将输入的波包非弹性散射到与之耦合的所有通道中。随着相互作用时间的增加，布居数转移幅度越来越大，连续态和束缚态之间的散射概率逐步增加，最终达到碰撞稳态。同时我们定量的计算了在原子散射过程中连续态和束缚态的动力学演化，在散射过程中连续态和束缚态的总概率守恒，连续态和束缚态之间布局数交换发生在散射共振前后的数十纳秒时间内。

以非线性薛定谔方程为理论模型,采用分步傅里叶数值模拟方法,讨论了有限能量艾里-厄米-高斯光束在克尔介质中的传输特性以及相互作用。研究表明,通过控制介质的非线性强度和艾里-厄米-高斯光束的初始振幅,可以抑制光束的衍射效应,当它们满足一定条件时,能够产生孤子。通过研究两艾里-厄米-高斯光束的相互作用,发现调整两光束的初始间隔以及相位,可以控制孤子的数量和传输方向。

在一维自发磁化局域电子自旋波模型的基础上,讨论了类石墨烯光晶格中的自旋粒子的元激发,与立方晶格中的自旋激发的二次方能谱不同,类石墨烯光晶格自旋激发能谱为线性能谱,元激发粒子为无质量的声子,在低温下可以得到磁化强度随T2变化的规律。

通过在完整三角晶格空气孔型光子晶体平板中引入两条空气槽型波导,并在槽型波导中引入折射率随甲烷气体浓度变化的敏感薄膜,设计并优化了一种甲烷与温度双参量传感器。建立光子晶体波导传感分析模型,利用平面波展开法、等效折射率方法、时域有限差分法对甲烷和温度的传感特性进行了理论分析。结果表明,两条传感通道的通带峰值中心波长会随甲烷气体浓度增加发生线性蓝移,而随温度增加出现线性红移。其中,通道1的甲烷传感灵敏度能达到0012 nm,温度传感灵敏度达到169 nm／℃,通道2的甲烷传感灵敏度能达到0010 8 nm,温度传感灵敏度达到166 nm／℃,同时结合双参数矩阵法正好能解决传感交叉敏感问题。

本文提出了一个由高品质光学腔,机械振子和金属纳米颗粒组成的腔光力学系统。一束强的泵浦光和一束弱的探测光同时作用于该系统。数值分析结果表明:在泵浦光的驱动条件下,系统对探测光的透射谱上会出现光力学诱导透明现象。该透明窗口的宽度由金属纳米颗粒和光腔之间的耦合强度决定。随着金属纳米颗粒和光腔之间的耦合强度的增强,该透明窗口会变窄,探测光的群延迟时间也会增大。我们分析了这些光学性质的变化原因,并给出了物理解释。

二硫化钨(WS2)因其具有带隙可调谐、载流子迁移率较高和吸收波段较宽等优异的光学特性,在脉冲激光器领域中有着广泛的应用。本文首先采用锂离子-插层法获得了WS2纳米片溶液,通过超声、离心、旋涂、烘干等流程成功制备了性能优异的WS2可饱和吸收体。其次,利用拉曼、AFM等方法对WS2-SA进行了系统地表征分析,结果表明所制备的WS2-SA表面薄膜是少层层状二维结构。最后,将WS2-SA作为全固态绿光脉冲激光器的调Q器件,利用非线性光学晶体PPLN进行倍频,获得了稳定的被动调Q绿光脉冲激光输出。当吸收泵浦功率为666 W时,最大的平均输出功率为4075 mW,输出脉冲宽度为360 ns,重复频率为116 MHz。

连续变量压缩态光场在特定分量能够突破量子噪声极限,在量子信息科学的发展中已经成为不可或缺的量子资源。光电二极管具有一定结电容,结合外围电感可形成电感电容(LC)共振电路,进而可以实现对单一频率范围内信号的共振增强探测,通过选取低噪声运算放大器,高性能镀金电路板材以及优化各种元件在电路板上的布局等措施来提升共振型探测器性能,最终研制了一款品质因子高达2286的高性能共振型探测器。此探测器可为连续变量压缩态以及纠缠态光场的实验制备提供有效资源,进而推动连续变量量子信息科学的发展。