大气湍流中光子轨道角动量量子比特的非经典关联和量子相干理论研究

论文摘要

二十世纪以来,量子信息作为一门新兴的学科受到了广泛的关注。在经典通信领域面临着一系列不易克服的难题时,量子信息技术可以提供相应的应对方法。量子隐形传态、量子密钥分配等技术使信息传递的安全性得到了保障,量子态的叠加性使得可以编码及存储高密度的信息。作为一种重要的量子信息资源,量子纠缠一直是研究的一大热点。然而,研究表明,在执行量子信息任务时,还可以存在着其他的量子信息资源,如量子discord和量子相干等,这些量子信息资源同样有着研究和利用的价值。另一方面,无线光通信给人们的生活和工作都带来了诸多的方便。因此,将量子信息资源加入到无线光通信中有很好的应用前景。人们发现,如果一束光具有涡旋相位结构,其携带的光子会有着整数形式的轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)模式,这种整数形式的OAM量子数在无线光通信任务中可以很好地用来编码量子信息。然而,由于量子信息资源的脆弱性,在自由空间中传播时难免会受到周围环境的干扰。在光束的传播过程中,最常见的随机介质就是由于大气的温度和压强等条件引起的大气湍流。大气湍流引起大气折射率随机起伏,使得光束在传播过程中相位产生畸变,从而产生干扰信号,使OAM编码的量子信息受到破坏。因此,研究OAM光子所编码的量子信息资源在大气湍流中的演化规律对提高量子信息在无线通信中的传输效率及对量子信息资源的保护具有重要的意义。本论文研究了大气湍流中OAM光子的非经典关联和量子相干传输特性。主要工作如下:(1)研究了 Kolmogorov湍流大气中轨道角动量部分纠缠的双光子量子比特的量子性(量子纠缠、量子discord以及量子相干)的衰减特性。研究发现,当初始量子态不是最大纠缠时,量子相干和量子discord的衰减特性与量子纠缠的有本质上的区别。另外,分别得到量子相干和量子discord满足的普适衰减规律,并演示了量子相干比非经典关联在衰减的过程中更具鲁棒性。(2)通过信道容量研究了非Kolmogorov大气湍流情况下不同相位畸变对OAM单光子传输的影响。对于非Kolmogorov模型,大气湍流的特性可以由不同的因素决定,包括海拔高度的增加、变化的折射率结构常数以及非Kolmogorov谱的指数参量。研究发现,包括Z倾斜畸变、散焦畸变、像散畸变以及慧差畸变等低阶相位畸变对信号的影响各不相同,其中Z倾斜畸变对信号衰减的影响更力加重要。(3)讨论了需要考虑非Kolmogorov湍流效应的OAM双光子在自由空间大气信道中的非水平地传输特性。研究发现,量子纠缠和discord的普适衰减规律在非Kolmogorov湍流中同样存在,但是其衰减曲线与Kolmogorov湍流中的不同,且普适衰减规律取决于非Kolmogorov谱的指数参量。进一步对比了在非Kolmogorov湍流影响下纠缠和discord衰减特性的不同。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韦梅松

导师: 胡征达

关键词: 大气湍流,轨道角动量,量子纠缠,量子,量子相干

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 江南大学

分类号: O413;TN929.1

总页数: 48

文件大小: 2679K

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