量子網絡的構建與應用（簡體書）

吳量，山西工程科技職業大學信息工程學院副教授，系主任，光學專業博士，主要從事光學探測、信息網絡構建、量子信息存儲等方面的研究工作，主持、參與多項國家項目和省部級項目；發表高水平學術論文10余篇。

本書稿首先進行與銣原子D1線相匹配的連續變量非經典光場的制備研究，為開展光與原子相互作用研究提供了必須的量子資源；利用電磁感應透明效應執行非經典光場的量子存儲，建立了三個銣原子系綜之間的量子糾纏，並在三個獨立的量子通道中完成糾纏檢測。其次，分析了整個系統中存在的不穩定因素，對影響PDH鎖定技術穩定性的因素進行了詳細研究，並提出了利用自舉放大技術，可極大地降低探測器的噪聲，並有效提高探測器的信噪比。利用連續變量多組份偏振糾纏開展量子網絡中確定定性地糾纏分發研究方案，為下一步開展實用化量子網絡研究提供了可行參考。本書適合從事通信網絡、原子分子物理、量子網絡等的工程技術人員和高校相關專業師生參考閱讀。

當前量子網絡已成為量子信息領域的熱門課題，通常一個實用化的量子網絡包括由光纖等構成的量子信息傳輸通道以及由原子系綜、離子系統等構成的量子節點。光場是量子信息傳輸的理想載體，是實現量子節點間信息傳遞的基礎，要構造一個真正的量子網絡，首先需要制備能與量子節點相互作用的非經典態光場。由Stokes算符描述的偏振壓縮態以及偏振糾纏態光場可以方便地和原子自旋算符對應，且其測量方式簡單，是構造量子網絡的理想信息載體之一。量子中繼是延伸量子信息網絡的有效手段，而高效穩定的量子存儲是實現量子中繼的基礎。本書首先進行與銣原子D1線相匹配的連續變量非經典光場的制備研究，為開展光與原子相互作用研究提供必需的量子資源;利用電磁感應透明效應執行非經典光場的量子存儲，建立了三個銣原子系綜之間的量子糾纏，並在三個獨立的量子通道中完成糾纏檢測。其次分析了整個系統中存在的不穩定因素，對影響PDH 鎖定技術穩定性的因素進行了詳細研究，並提出利用自舉放大技術，可極大地降低探測器的噪聲，並有效提高探測器的信噪比。最後利用連續變量多組分偏振糾纏開展量子網絡中確定性的糾纏分發方案研究，為下一步開展實用化量子網絡研究提供了可行性參考。
本書的主要內容如下：
① 建立了外腔倍頻系統，用1W 的基頻光泵浦，獲得了功率為380mW、波長為398nm 的紫外激光，並利用熱輻射擴散模型量化了熱效應的作用。獲得的紫外激光為非經典光場產生提供了泵浦源。
② 利用398nm 紫外光場泵浦兩個非簡並光學參量放大器(DOPA)得到兩束波長為795nm 的正交振幅壓縮態光場，經分束器和偏振棱鏡線性變換，對入射光場的位相進行控制，分別得到與銣原子D1線對應的偏振壓縮態光場和兩組分偏振糾纏態光場。
③ 利用三個DOPA 分別產生兩束正交振幅壓縮態光場和一束正交位相壓縮態光場。將三束壓縮態光場及三束相干態光場在特別設計的分束器網絡上耦合，制備了連續變量三組分偏振糾纏態光場。利用電磁感應透明效應實現了三組分糾纏態光場在三個彼此距離2.6m 的銣原子系綜中的存儲，建立了三個原子系綜間的量子糾纏。之後，又研究了被存儲糾纏到三個光學通道的受控釋放，通過對釋放光場的糾纏檢測，證實了糾纏存儲。
④ 定量分析了光電二極管大的結電容對探測器噪聲的影響，提出了利用自舉放大技術，可極大地降低探測器的噪聲，並有效提高探測器的信噪比的方案。
設計了放大電路，理論計算其噪聲模型，重點關注影響高頻噪聲的元件參數，根據計算的元件參數，評估了每種電路的特點與不足，最終確定了跨阻抗放大電路的設計方法。基於以上理論研究，成功研制出了一種由跨阻抗放大器(TIA)電路和兩級自舉放大器電路組合的高信噪比低噪聲光電探測器。
⑤ 開展了採用非簡並光學參量放大器系統和分束器網絡制備四組分Greenberger-Horne-Zeilinger-like (GHZ-like)偏振糾纏態和四組分類Cluster偏振糾纏態的原理研究，提出了四組分偏振糾纏判據。基於提出的四組分偏振糾纏判據，開展了利用連續變量四組分類GHZ偏振糾纏態和四組分類Cluster偏振糾纏態在長距離通信光纖中進行四用戶間確定性糾纏分發的研究。
本書是筆者在光學探測、信息網絡構建、量子信息存儲領域研究成果的總結，研究內容受到國家自然科學基金委：基於介電常數近零材料的亞波長薄膜非線性光源項目(62135008)和山西工程科技職業大學的資助，在此表示感謝。同時，感謝李少華、柴婷、王曉麗在本書結構制定、數據整理、編寫等方面提供的幫助。
限 於筆者水平，書中難免有疏漏和不足之處，懇請讀者和各位專家批評指正。

吳量
山西工程科技職業大學

第1章 緒論 1
1.1 光場的量子化 1
1.1.1 電磁場的量子化 1
1.1.2 海森堡不確定性原理 1
1.1.3 光場量子噪聲 2
1.2 非線性光學基礎 2
1.2.1 測不準原理 2
1.2.2 線性化算符 3
1.2.3 二次諧波產生過程 3
1.2.4 光學參量放大 5
1.3 量子態光場 7
1.3.1 量子態 8
1.3.2 相干態 13
1.3.3 壓縮態 14
1.3.4 壓縮態的主要檢測方法 20
1.4 PDH 鎖定技術 22
1.5 量子信息 24
1.5.1 量子密鑰分發 25
1.5.2 量子中繼 28
1.5.3 量子存儲 28
1.6 本書主要內容及章節安排 32

第2章 紫外光場及單組分壓縮態光場 33
2.1 概述 33
2.2 398nm 紫外激光的制備 34
2.2.1 基礎理論分析 34
2.2.2 實驗裝置搭建 36
2.2.3 實驗結果測量及分析 37
2.3 795nm 偏振壓縮態光場的制備 39
2.3.1 偏振態光場的產生方法 40
2.3.2 壓縮態光場的測量 43
2.3.3 795nm偏振壓縮實驗系統的搭建 46
2.3.4 實驗結果測量及分析 50
2.4 本章小結 51

第3章 兩組分和三組分偏振糾纏態光場 52
3.1 概述 52
3.2 795nm 兩組分偏振糾纏態光場的制備 53
3.2.1 兩組分偏振糾纏態理論分析 54
3.2.2 實驗系統的搭建 57
3.2.3 實驗結果測量及分析 59
3.3 明亮的三組分偏振糾纏態光場制備 60
3.3.1 三組分偏振糾纏理論分析 60
3.3.2 產生明亮的三組分偏振糾纏態實驗 65
3.3.3 實驗結果測量及分析 67
3.4 三原子系綜量子糾纏及量子存儲 69
3.4.1 三組分正交糾纏理論分析 70
3.4.2 利用EIT實現量子態由光場向原子系綜的映射 73
3.4.3 利用EIT實現量子態由原子系綜向光場的映射 75
3.4.4 三組分正交糾纏態光場在原子系綜中的量子存儲 76
3.5 本章小結 85

第4章 光電探測器設計理論分析 86
4.1 概述 86
4.2 光電探測器的性能衡量 89
4.2.1 信噪比 89
4.2.2 噪聲等效功率 89
4.2.3 帶寬 90
4.3 常用光電檢測器件介紹 90
4.3.1 PN光電二極管的工作原理 90
4.3.2 PIN光電二極管的工作原理 91
4.3.3 PIN光電二極管的基本特性 92
4.4 相關電路噪聲分析 93
4.4.1 跨阻放大原理分析 93
4.4.2 跨阻放大電路噪聲分析 95
4.4.3 FET晶體管噪聲分析 95
4.4.4 其他相關噪聲分析 96
4.5 利用自舉低噪聲光電探測器提升光場壓縮度的理論和實驗 98
4.5.1 自舉低噪聲光電探測器電路設計 98
4.5.2 高頻PCB設計 102
4.5.3 自舉低噪聲光電探測器性能測試 103
4.6 本章小結 107

第5章 利用連續變量偏振糾纏態實現量子網絡中確定性的糾纏分發 109
5.1 概述 109
5.2 連續變量類GHZ 和類Cluster 四組分正交糾纏態的產生原理 110
5.2.1 連續變量類GHZ態產生原理 111
5.2.2 連續變量類Cluster態產生原理 115
5.2.3 四組分正交糾纏態不可分判據 117
5.3 連續變量類GHZ 和類Cluster 四組分偏振糾纏態的產生與分發 118
5.3.1 連續變量類GHZ四組分偏振糾纏態的產生原理 118
5.3.2 連續變量類Cluster四組分偏振糾纏態的產生原理 120
5.3.3 連續變量類GHZ和類Cluster四組分偏振糾纏態在光纖中的傳輸 121
5.3.4 四組分偏振糾纏態不可分判據 122
5.3.5 理論計算結果與分析 124
5.4 本章小結 127

參考文獻 128