量子光学学报15(2):95~100,2009

ActaSinicaQuantumOptica文章编号:1007-6654(2009)02-0095-06EPR纠缠光束时域量子关联的实验验证靳晓丽,王宇,苏晓龙',彭垄墀(量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学光电研究所,山西太原030006)摘要:我们利用平衡零拍探测系统和数据采集系统直接测量了EPR纠缠光束信号光场与闲置光场正交分量之间的时域量子起伏,验证了其量子关联.
通过对EPR纠缠光束中的一束光场进行延迟,验证了信号光与闲置光不同步时将导致量子关联减弱乃至消失.
我们的实验结果为开展连续变量量子密钥分发、非高斯态的实验制备和纠缠纯化奠定了实验基础.
关键词:EPR纠缠;量子关联;非简并光学参量放大器中图分类号:043l文献标识码:AO引言量子纠缠是量子信息处理的重要物理基础.
Einstein,Podolsky和Rosen首先讨论了连续变量正交共轭分量之间的非经典关联,通常称为EPR纠缠….
1992年,利用双模压缩态光场的正交振幅和正交位相分量首次从实验上验证了连续变量的EPR量子纠缠旧J.
利用EPR纠缠,人们可以完成许多在经典世界无法完成的工作,例如:量子离物传态(Quantumteleportation)¨一J、量子密集编码(Quantumdensecoding)".
6J、量子密钥分发(Quantumkeydistribution)¨J1等.
在光学领域,相干态[4]、压缩态【93及EPR纠缠态的一个子模【l叫等高斯光场作为输入态的量子离物传送已经实验实现.
这些实验以光学分束、位相延迟、压缩、相空间平移以及平衡零拍探测等光学高斯操作为基本实验手段.
迄今为止,连续变量的量子协议也仅用高斯态和高斯操作实施.
然而,进一步发展连续变量量子信息处理的能力需要非高斯态或非高斯操作[1l'12].
因此,非高斯态的量子离物传送将成为下一个实现通用连续变量量子信息处理的重要挑战.
为了在光学系统中产生一个非高斯态,从一束高斯光束中抽取出一部分光进行光子计数是一种较为方便的技术.
当测量到一个光子时,这个被抽取出的高斯态将转化成一个非高斯态,这种技术被称为"减光子法".
最近有一些产生非高斯态的报道,采用此方法产生了一个量子叠加相干态l沙>∞Ia>一I—a>【13,14】.
由于光子计数在时域被定义,传统的利用光学载波边带传输信息的连续变量量子离物传态原理不能用于这些态的传输.
因此为了实现连续变量非高斯态的传输,就需要实现EPR纠缠光束时域的量子关联.
这种EPR纠缠光束正交分量之间实时的量子关联,可用于量子密钥分发、非高斯态的产生、量子纠缠纯化【15,16]等量子信息研究中.
目前,日本的A.
Furusawa研究组进行了这方面的实验研究,他们采用傅立叶变换的方法,将频域测量的结果变换到时域,得到EPR纠缠光束时域量子关联ⅢJ.
我们利用平衡零拍探测器和通用示波器数据采集系统直接观测了EPR纠缠光束信号光与闲收稿日期:2009旬1-30;修回日期:2009-02-05基金项目:国家自然科学基金(60736040,10804065,60608012);高等学校博士点新教师专项科研基金(200801081022);山西省青年科技研究基金(2008021002)作者简介:靳晓丽(1984.
),女,山西运城人,量子光学与光量子器件国家重点实验室、山西大学光电研究所在读硕士,主要从事量子光学与量子信息的研究.
E—mail:jxl8406@gmail.
cornt通讯作者:E—mail:suxl@SXU.
edu.
cn万方数据.
96·量子光学学报置光正交分量之间的时域量子起伏,实验结果显示两束光场正交分量之间存在非局域量子关联.
我们对EPR纠缠光束一束光场的量子起伏进行延迟,证实信号光与闲置光不同步时将导致量子关联减弱乃至最后消失.
时域EPR纠缠光束量子关联的观测为下一步开展非高斯态的实验制备和连续变量量子纠缠纯化的实验研究奠定了基础.
1EPR纠缠光束量子纠缠是量子系统独有的特性,反映了一个系统中子系统之间的相关性与不可分性.
当两个或两个以上的子系统构成的量子体系的态矢量,在任何量子力学表象中,都无法表示为组成它的各子系统量子态矢的直积形式时,这些子系统之间即表现出相互纠缠的不可分特性,即使将它们空间分离,对一个子系统的观测也必然影响其它子系统的测量结果.
这种相互依存的非局域关联称为量子纠缠或简称纠缠.
在EPR原始文献中…,所讨论的可观测量子变量,是具有连续谱的正则坐标与动量,对应于光场的正交振幅(名)和正交位相分量(P).
一束单模量子态光场可用一个湮灭算符a表示,其正交振幅和正交位相分量定义为:岩=a+a'P=(a—a')/i(1)它们之间满足对易关系:[工,P]=2i(取}i=1),不可能同时被确定.
但是两个光学模的联合变量"振幅差"与"位相和"以及"振幅和"与"位相差"却可能是对易的:[戈,一盖:,P.
+以]=0,[名,+盖:,P.
一P:]=0.
因此,"振幅差"与"位相和"以及"振幅和"与"位相差"可以被同时精确测量.
理想情况下,它们的量子噪声趋于零,即一0,_+0(2)或j0,叶0(3)一般情况下,只可能达到部分量子关联,此时它们的噪声可以同时小于相应的散粒噪声极限(Shotnoise—limit,SNL),即====(e打+e.
27)/2(6)==2e一打(7)其中,r为关联参量,依赖于NOPA中参量相互作用的强度和时间.
,.
=0,相应于关联度为零,即没有纠缠,而r_+∞,则趋近于理想纠缠.
2EPR纠缠光束产生和探测系统正交振幅反关联、正交位相正关联的明亮EPR纠缠光束的产生及探测系统如图1所示.
瓦级连续双波长输出单频稳频Nd:YAP/KTP激光器输出的540am的激光用作非简并光学参量放大器(NOPA)的泵浦光,1080am的激光分为两部分,一部分用于NOPA的注入信号光,另一部分用于进行平衡零拍探测的本地振荡光(Localoscillationbeam,LO).
我们选用仅.
切割的KTP晶体作为非线性介质,实现II类非临界相位匹配,以消除光束离散效应.
NOPA腔采用半整块(Semimonolithic)结构,即将非线性晶体KTP的一个端面镀双色膜使之对1080am光波高反,对万方数据靳晓丽等EPR纠缠光束时域量子关联的实验验证·97·540am光波增透,将其作为NOPA腔的输入耦合镜,这样可以减小内腔损耗并增加腔的稳定性;另一端面镀对1080nm和540am的双增透膜.
腔的输出耦合镜为~曲率半径为50mm的凹面镜,镀有540tim全反膜,而对1080am透射率为5.
02%.
粘合于输出境上的压电陶瓷用于扫描和锁定NOPA.
当NOPA运转于参量反放大状态时,即泵浦光与注人信号光之间的位相差为7r时,产生正交振幅反关联、正交位相正关联的明亮EPR纠缠光束.
用一个偏振分束棱镜(PBS)将偏振相互正交的两束EPR纠缠光束的信号光a和闲置光b分开,分别用两套平衡零拍探测系统(HDl和HD2)测量信号光和闲置光的正交振幅或正交位相分量.
平衡零拍探测系统中的压电陶瓷用于扫描和锁定本地振荡光与探测光之间的相对位相.
当LO光与探测光的相对位相差为0或7r/2时,平衡零拍探测系统分别测量被探测光场的正交振幅或正交位相分量.
平衡零拍探测系统输出的光电流经过功率放大器和中心频率为2MHz、带宽为600kHz的带通滤波器(BPF)后,进入带宽为600MHz的存储示波器(StorageOscilloscope,54830B,Agilent,作为数据采集系统)记录数据.
实验中在2MHz处获得的关联度最高,因此我们选用中心频率为2MHz、带宽为600kHz的带通滤波器(BPF)测量2MHz附近的量子起伏.
图lEPR纠缠光束产生和探测系统Fig.
1ThegenerationanddetectionsystemofEPRentangledbeams3EPR纠缠光束量子关联测量结果让平衡零拍探测系统HDl和HD2同时测量光束a和b的正交振幅或正交位相分量,并将输出的光电流相加或相减,得到正交振幅和()或正交位相差()的关联噪声,并用频谱分析仪进行记录,即可得到EPR纠缠光束的关联噪声谱.
图2为我们测得的EPR纠缠光束在2MHz附近的关联噪声,(a)为正交振幅和关联噪声,(b)为正交位相差关联噪声.
图中轨迹1为归一化散粒噪声极限(SNL),轨迹2为关联噪声,测量频率为2MHz,频谱分析仪分析带宽(RBW)为10kHz,视频带宽(VBW)为30Hz.
我们实验测得的EPR纠缠光束的量子关联度为(艿2(名.
+戈.
)>=一3.
084-0.
02dB,=一3.
01±0.
03dB.
实验结果满足L.
M.
Duan等人提出的EPR纠缠的量子不可分判据¨81:即+=0.
98-0—2-405101513me(ps)天歉4A.
赢A玖二A瓞孱A歉A.
赢从∥卜瓞孱7VWVjVv弹ⅫⅦ‰0510152025"rime(iJs)图3信号光与闲置光瞬时的量子关联,(a):正交振幅分量,(b):正交位相分量.
Fig.
3Theinstantaneousquantumcorrelationofsignalandidlerbeam,(a):amplitudequadrature,(b):phasequadrature.
为了测量最大的EPR纠缠光束的时域量子起伏,必须首先保证信号光和闲置光平衡零拍探测系统的同步,即同步测量从NOPA同时输出的、具有零延迟时间的信号光和闲置光的量子起伏.
我们尝试对实验测得的闲置光的量子起伏进行延迟,发现当延迟时间增长时,关联度逐渐降低,而延迟达到约2斗s时,量子关联消失.
延迟2斗s后正交分量之间的量子关联如图5所示,(a)为正交振幅分量,(b)为正交位相分量,其中实线(i)为信号光的量子起伏,点线(ii)为闲置光场的量子起伏.
可见,由于信号光与闲置光不同步,导致量子关联消失.
因此,在应用中我们应该尽可能同步执行两关联光束的正交分量测量.
4结论我们在实验上实时观测了EPR纠缠光束正一∞口)Jo≥oIa∞∞Ioz万方数据靳晓丽等EPR纠缠光束时域量子关联的实验验证·99·图4EPR纠缠光束正交分量之间的关联,(a):正交振幅数据,(b):正交位相数据Fig.
4ThecorrelationbetweenquadraturesofEPRbeams,(a):dataofamplitudequadrature,(b):dataofphasequadrature.
42*0-2—442>-O_2-4"13me(ps)图5延迟闲置光后的量子关联,(a):正交振幅分量,(b):正交位相分量Fig.
5Thequantumcorrelationaftertheidlerbeamdelayed,(a):amplitudequadrature,(b):phasequadrature交分量之间的时域量子关联.
当两光束的测量延迟时间超过2¨s时量子关联消失.
连续变量时域量子关联的测量可用于高速率量子密钥分发、非高斯态实验制备、量子纠缠纯化等研究领域,为下一步发展量子信息网络提供了一种新的技术手段.
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BydelayingoneoftheEPRentangledbeams,weverifythatifthemeasurementsonthesignalandtheidlerbeamsarenotsynchronal,thecorrelationsbetweenthemwilldecreaseandfinallyvanish.
Thepresentedexperimentalmethodcanbeutilizedindevelopingquantumkeydistributionwithcontinuousvariables,experimentalpreparationofnon—Gaussianstateandentanglementpurification.
Keywords:EPRentanglement;quantumcorrelation;non-degenerateopticalparametricamplifier万方数据EPR纠缠光束时域量子关联的实验验证作者:靳晓丽,王宇,苏晓龙,彭堃墀,JINXiao-li,WANGYu,SUXiao-long,PENGKun-chi作者单位:量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学光电研究所,山西,太原,030006刊名:量子光学学报英文刊名:ACTASINICAQUANTUMOPTICA年,卷(期):2009,15(2)参考文献(19条)1.
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