集成化高维纠缠和超纠缠光子源的产生和应用的理论研究

High-dimensional entangled photonic sources and hyperentangled photonic sources are good candidates for quantum information. Sources of entangled photons are mainly generated by spontaneous parametric down-conversion process in birefringence-phase-matching crystal with birefringence-phase-matching technique nowadays. Compact preparation of entangled photonic source with quasi-phase-matching technique needs further development. Via micro-structure modulation, second-order nonlinear photonic crystals exhibit many advantages in the compact engineering of entangled sources. The inherent integration function of second-order nonlinear photonic crystal fits the requirements of the practical applications in quantum information processing, which becomes a hotspot in the field of quantum optics. Based on multiple quasi-phase-matching technology, high-dimensional entangled photonic sources and hyperentangled photonic sources can be generated from different concurrent spontaneous parametric down-conversion processes simultaneously by many ways such as designing different ferroelectric domain modulation structures in the one-dimensional and two-dimensional second-order nonlinear photonic crystal or cascading different second-order nonlinear photonic crystals in this project. The high-dimensional entangled photon states and hyperentangled photon states generated from bulk and waveguide second-order nonlinear photonic crystals can be used for quantum cryptography schemes, quantum teleportation schemes, quantum logic gates schemes, etc. We can provide theories to achieve more secure, compact and efficient quantum communication schemes, quantum computation schemes and quantum internet schemes than before schemes.

高维纠缠光子源和超纠缠光子源是量子信息的优良载体。通过三波混频自发参量下转换过程制备纠缠光子源主要是利用双折射相位匹配技术。基于准相位匹配技术的纠缠光子源的制备有待于进一步发展。微结构调制可以使二阶非线性光子晶体材料在集成化纠缠源的制备等方面展现出巨大优势，契合了实用化量子信息处理的要求，是量子光学领域的研究热点。本项目基于多重准相位匹配技术，采用设计不同的一维、二维的二阶非线性光子晶体的铁电畴调制结构以及采用把不同微结构的二阶非线性光子晶体级联起来等方法，同时实现不同的自发参量下转换过程来制备高维纠缠光子源和超纠缠光子源。我们分别以二阶非线性光子晶体的体块和波导材料制备出的高维纠缠光子源和超纠缠光子源为基础设计量子密码方案、量子隐形传态方案、量子逻辑门等新方案，为实现更安全、更高效、更集成的量子保密通信、量子计算和量子网络提供理论基础。

高维纠缠态和超纠缠态是量子信息处理中的重要资源。通过对二阶非线性光子晶体材料的微结构调制可以集成制备纠缠光子源。利用多重准相位匹配技术，我们提出了由级联两个二维六角极化和一个一维双周期极化的二阶非线性光子晶体集成制备双光子四维空间模式部分纠缠Dicke态的理论方案。利用多重准相位匹配技术，我们提出了由一个二维六角极化的二阶非线性光子晶体集成制备双光子四维空间模式部分纠缠KLM态的理论方案。由纠缠浓缩技术得到双光子四维空间模式最大纠缠Dicke态和双光子四维空间模式最大纠缠KLM态。. 量子隐形传态在量子通信、分布式量子计算和量子网络中有很多应用。我们提出了用一个贝尔类型的双光子超纠缠态作为量子信道，实现对称（或不对称）的双向量子隐形传态的方案。我们提出了用一个三维超纠缠态作为量子信道，实现循环受控的量子隐形传态的方案。远程态制备具有节约资源的优点，是重要的量子通讯方案。我们提出了对两个不同的单量子比特态（或双量子比特态）有选择性地联合远程制备的方案。我们提出了确定性的不对称的双向受控联合远程制备的新方案。我们提出了远程制备任意TFP类型纠缠态的新方案。我们提出了对任意单量子比特态的分级受控远程制备的新方案。我们提出了一个不对称的双向受控远程态制备的新方案。量子辅助克隆可以绕过量子不可克隆定理，在态制备者的协助下实现对未知量子态的复制。我们提出了对未知单粒子四维量子态的确定性的辅助克隆的新方案。我们提出了两个对未知三维赤道量子态的联合辅助克隆的新方案。