摘要
量子信息科学是量子物理与信息科学交叉融合而迅速发展起来的新兴前沿学科，由于它可以提供在原理上绝对安全的通信和巨大的并行计算能力，使其成为科技界的重点研究方向。量子网络是目前量子信息领域的一个重要研究任务，量子信道和量子节点是组成量子网络不可或缺的部分。量子信道用于传输量子信息，量子节点处理信息的提取、存储和纯化等工作。俘获的离子、原子和量子点等介质都可以作为量子网络的节点。 以原子为介质搭建量子节点时，要求原子激发的自旋波要具备好的相干性和足够长的时间相干性，碱金属铷原子正好满足这一要求。因此，人们在铷原子波段开展了一系列的实验，比如产生连续变量和分离变量的非经典光场并存储等。自发拉曼散射是构建光与原子纠缠的基本手段，通过该方式能够产生相互关联的Stokes光子和自旋波激发，自旋波一般是被存储在原子系综内部，而散射的Stokes光子则被用来传输量子态。所以自发拉曼过程产生的原子自旋波与Stokes光子的纠缠态是特别适合做量子网络中量子信息载体的。光与物质纠缠态的光子分量可以用几个自由度来编码:偏振、轨道角动量、空间或Time-bin量子比特编码。其中，偏振纠缠态在光子和集体原子激发态之间是以概率的方式产生的；轨道角动量编码更适用于高维度的纠缠研究；空间量子比特编码方式能够扩充量子存储器的容量。在众多的量子比特编码方式中，Time-bin编码方式因其在长光纤中抗损耗的特性而更适合远距离传输。在本文中我们将单光子量级的Time-量子bin比特进行2.3公里的长距离传输后，测量了前、后两个脉冲的相干保持性，结果显示相干保持性在80%以上。非平衡马赫-曾德尔干涉仪是Time-bin量子比特传输的重要测量装置，我们搭建了全光纤的非平衡马赫-曾德尔干涉仪，研究了干涉仪在被动和主动相位锁定条件下干涉对比度的比较。本文将从以下几个部分进行阐述： (1)本章回顾了量子中继的研究背景及最具研究前景的DLCZ（Duan,Lukin,Cirac,and Zoller）方案。介绍了用于测量Time-bin比特的非平衡马赫-曾德尔干涉仪的原理，以及单光子探测器的发展状况及实验中所用单光子探测器的工作原理。 (2)我们研究了对应铷原子D1跃迁线的795nm光场下的Time-bin量子比特的产生和传输。将光场编码到Time-bin量子比特上，在光纤中远距离传输后，用非平衡M-Z干涉仪观察Time-bin比特前后两个时间脉冲之间的相干对比度。 (3)搭建了795nm和1560nm两种不同波段的全光纤型非平衡M-Z干涉仪。将干涉仪密封在绝热材料中，可以减小外界环境对干涉仪相位的影响。在这种情况下，研究了被动稳频下干涉仪的相位稳定性。另外通过主动稳频将干涉仪相位锁定到0相位和90相位上，并比较了在这两种情况下干涉仪的干涉对比度。 (4)最后进行全文总结并提出展望，在本文研究工作的基础上利用差频技术将铷原子795nm波段转换到通讯波段光场，开展Time-bin量子比特频率转换的实验研究。利用已搭建的非平衡M-Z干涉仪对原子波段和通讯波段的Time-bin量子比特进行测量，为远距离量子纠缠分发提供研究基础。
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