基于光子超流态的量子纠缠理论研究

Quantum entanglement, as an indispensable physical resource in quantum-information processing, has become one of the hotest topics in recent years.Owning to the fact that quantum entanglement is very fragile to environment and can easily be destroyed,therefore,how to prepare, transport, and reserve high fidelity quantum entangled states has become the key problem to realize quantum information technology. Based on the physical properties of superfluidity that it can transport without dissipation and can be free from interference from the external magnetic field, here, in this project, we propose an idea to prepare, transport, and reserve quantum entangled states by using photonic superfluidity. Theoretical methods in quantum field theory and quantum optics are used to explore the formation mechanism, evolution characteristics, and influence factors of quantum entanglement in photonic superfluidity.The main contents are: (1) investigating the preparation and transportation properties of continuous-variable entanglement in nonlinear medium, (2) exploring the evolution characteristics and storage method of quantum entanglement in a nonlinear Fabry-Perot(F-P) cavity, (3) discussing the preparation of quantum entanglement, quantum state transfer, quantum network and so on based on coupled systems formed by nonlinear F-P cavity-nonlinear fiber-nonlinear F-P cavity. This project will provide us a new idea for the preparation, transportation, and reservation of high fidelity quantum entangled states, and will also provide a new theory basis for the realization of quantum network and other quantum-information processing.

量子纠缠作为量子信息处理过程中不可或缺的物理资源，是近年来人们关注的热点之一。由于量子纠缠极易受到环境的影响而遭到破坏，因此，如何制备、传输和存储高保真的量子纠缠态成为实现量子信息技术的关键问题。基于超流态无耗散传输以及不受外磁场干扰等物理特性，本课题中我们提出利用光子超流态来制备、传输以及存储量子纠缠态的想法，运用量子场论、量子光学理论方法探索光子超流态中量子纠缠的形成机理、演化特征及影响因素。主要内容包括：（1）研究非线性媒质中连续变量纠缠态的制备与传输特性；（2）探索非线性Fabry-Perot（F-P）腔中量子纠缠的演化特征及存储方法；（3）探讨基于非线性F-P腔-非线性光纤-非线性F-P腔耦合系统中量子纠缠的制备、量子态转移及量子网络等问题。本课题将对制备、传输和存储高保真的量子纠缠态提供新的思路，对实现量子网络以及其他量子信息处理过程提供新的理论依据。

光子超流态作为光的一种新颖形态，有着许多有趣的特点。基于超流态无耗散传输以及不受外磁场干扰等物理特性，本项目研究了利用光子超流态来制备和存储易受外界干扰的量子纠缠态。此外，本项目还提出结合光子晶体和特异材料实现微小尺度下的单向传输，研究了光子晶体的单向传输物理机制、时延特性、反常光传输性质及其应用。本项目的主要研究成果如下：（1）建立了二维腔中光子超流态理论，发现了复杂的光和原子相互作用就可以简化为彼此无相互作用的准粒子和原子之间的相互作用。（2）探讨了光子超流态中原子的衰减率，结果表明光子超流态中原子的衰减随原子的位置周期性地变化。当原子处于驻波的节点处，原子可以衰减得比普通光场中慢很多。（3）研究了光子超流态中的量子纠缠特性。发现两原子之间的纠缠与两腔场之间的纠缠可相互转换。当两个原子处于驻波节点的位置，其间的纠缠可以保持很长一段时间，这为量子纠缠的存储提供了一种新的思路和方法。(4)研究了特异材料光子晶体中单向传输的实现机制和存在条件，结果显示通过强耦合作用打破结构的时间反演对称性可获得单向传输模；(5)研究了线缺陷对单向波导时延特性的影响，发现相位延时对缺陷折射率的变化较为敏感，但对厚度变化不敏感，进一步利用单向波导设计了一种三端口环行器；(6)发现了一维光子晶体独特的π透射相移特性，该相位特性可用于设计二进制差分相移键控(2DPSK)调制器等相位器件；(7)突破了超棱镜效应主要用于波长分离和角度分离的传统思路，联合超准直和超棱镜效应，实现了能量比可实时、连续调节的大角度光分束器。本项目的研究成果不仅为量子纠缠的制备和存储提供了新的思路，而且在单向传输的实现方面提供了新的放在，丰富了光子晶体和特异材料的研究内容，在许多方面都具有潜在的应用价值。