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量子纠缠是量子力学中最引人入胜的话题,已经成为当代量子通信和量子计算的核心资源。对纠缠的深入研究使得人们对量子力学的基本原理有了更深刻的理解,同时也对其可能的应用也有了更多认识。到目前为止,量子纠缠已经被广泛应用到量子密集编码、量子密钥分发、无条件的量子离物传态以及量子纠缠转移等量子信息领域,纠缠的研究及制备越来越受到关注。分离变量纠缠和连续变量纠缠是研究量子纠缠的两个重要方向,虽然最初备受关注的是分离变量纠缠,但因连续变量量子通讯具有比特率高等潜在优势,所以连续变量纠缠也越来越受到重视。发展量子信息的关键是能实现量子信息网络,而构建量子信息网络的基础工作之一就是多色多组份连续变量纠缠源,所以本论文就是从理论上探讨如何利用准相位匹配的光学超晶格产生多色多组份连续变量纠缠源。主要内容如下：
⑴提出一个产生四色四组份连续变量纠缠的方案。该方案利用一块三组元准周期光学超晶格,通过三重准相位匹配完成一个非简并参量过程和两个参量光分别与泵浦光的和频过程。其中参量下转换过程工作在阈值以下,泵浦光场认为是无损耗的经典场。根据多组份连续变量纠缠判据,通过计算发现信号光场、闲置光场、以及两和频光场是四组份连续变量纠缠的,并讨论了它们的纠缠特性随不同参数的变化情况。
⑵提出一个产生明亮四组份连续变量纠缠的方案。由于前一工作中参量过程工作在阈值以下,产生的四组份连续变量纠缠源的功率较低,不利于远距离的信息传输与检测。本方案则是利用一个两组元的准周期光学超晶格,通过非简并的参量放大过程产生信号光和闲置光,其中闲置光再与泵浦光和频产生一束更高频率的光场。理论计算中把泵浦光的量子纠缠特性考虑进来,根据多组份连续变量纠缠判据,证明了泵浦光场、信号光场、闲置光场以及和频光场之间是连续变量纠缠的。由于此方案中非简并参量放大过程运转在阈值之上,所以产生的四个光场的功率比较高,在实际量子信息传输中有一定优势。
⑶探讨了利用Ⅱ类倍频产生明亮三组份连续变量纠缠的方案。当泵浦基波功率较大的情况下,Ⅰ类倍频过程会发生自脉冲现象,不能产生明亮连续变量纠缠。而Ⅱ类倍频可以避免自脉冲现象的发生,产生明亮连续变量纠缠。本工作主要利用半经典的方法,从理论上研究了运转在阈值以上的Ⅱ类倍频过程中两反射泵浦基波场和倍频场之间的三组份连续变量纠缠特性。
⑷利用级联三次谐波产生过程来产生明亮的压缩态及纠缠态。此级联非线性过程是采用一个具有Fibonacci结构序列的准周期光学超晶格,通过先倍频然后基波再与倍频光和频来完成。首先利用半经典的方法分析了系统的稳定性,并与单个倍频过程进行比较,重点研究了三次谐波如何改变谐振腔内倍频过程的稳定性,分区讨论了系统稳定问题,详细分析了存在三次谐波情形和只有单一倍频过程时倍频效率以及产生的压缩、纠缠特性随参数的变化情况。