基于光纤级联四波混频效应的频率梳型多组份纠缠源理论研究

量子纠缠是实现量子计算与量子网络的重要物理资源。为制备基于光通信网的量子网络所需的多组份纠缠源，本申请提出利用光纤级联四波混频效应制备频率梳型多组份纠缠源的方案。首先建立并数值求解量子化级联四波混频偏微分方程组，明晰泵浦光、信号光以及闲置光的湮灭算符以及各组份斯托克斯算符演化关系，分别采用多组份纠缠判据研究各组份正则振幅/相位以及偏振两自由度的纠缠特性，为实验制备频率梳型多组份超级纠缠源提供参考。另外建立并求解量子化非线性薛定谔方程，明晰该纠缠源在光纤环境下的纠缠动力学演化特性，从理论上研究这种纠缠源在光纤中的传输特性，为分析量子光通信网络的性能提供理论指导。本制备方案具有耦合效率高；结构紧凑，调试简单；与光纤密集波分复用(DWDM)网络融合性高等优点，可用于实现基于DWDW光纤网络的量子通信网络研究。此外，本项目也有助于基于硅基级联四波混频效应的多组份纠缠源研究，促进量子集成芯片研究。

在青年基金的大力支持下，共在国内外学术期刊上发表SCI学术论文18篇，EI论文1篇，其中在美国物理学会期刊Physical Review A（IF=2.991）上发表论文7篇，在美国光学学会期刊Optics Express（IF=3.525）上发表论文1篇，申请国家发明专利3项。首先采用量子主方程建立了基于级联参量过程制备频率梳型多组份纠缠源的通用理论，并编制了一套多组份纠缠源数值计算程序，可设计任意组份频率梳型纠缠源。可根据各种非线性材料给出相应实验参数，为实验研究提供理论指导。采用所建立的理论，设计了基于光纤材料的级联四波混频效应的频率梳型五组份纠缠源制备方案，基于准周期非线性光子晶体中的级联参量过程的六组份光频梳型纠缠源制备方案。采用所设计的多组份纠缠源设计了量子密码通信网络、量子秘密共享、量子匿名投票以及量子密集编码等量子通信和信息处理协议，同时定量地分析了玻色环境对量子隐形传态、密集编码等量子通信协议性能的影响。在青年基金所取得研究成果的基础上，本人获得了自然基金面上项目“基于硅基微纳谐振腔的量子纠缠光频梳的产生及传输问题研究”的持续资助，继续基于级联参量过程的频率梳型纠缠源的理论与实验研究，以促进硅基光量子芯片的早日实现。