基于光纤自发四波混频的关联光子对产生及应用的理论和实验研究

量子关联光源不仅是研究量子力学基本定律的重要资源,也是实现量子信息处理和精密测量的必要工具。本文基于零色散位移光纤中的自发四波混频效应,利用脉冲激光作为泵浦光产生了近简并量子关联光源,理论分析并实验验证了量子关联光源的产生、特性及应用,为优化基于光纤的量子关联光源、探索其应用提供理论和实验指导。论文的主要内容包括以下四方面:1、建立了光纤中自发四波混频效应的理论模型。本文首次在海森堡绘景中推导了适用于啁啾脉冲激光泵浦情况的满足Bogoliubov变换的光场算符演化方程。不同于常用的薛定谔绘景中量子态的演化,算符演化方程不仅适用于低增益下关联光子对特性的研究,在高增益下也同样适用。算符演化方程为研究量子关联光子对的特性奠定了理论基础。2、研究了关联光子对的量子关联特性并探索了其在单光子探测器量子效率标定方面的应用。根据算符演化方程分析了光子对的频谱特性和聚束效应。在此基础上,充分考虑光纤中其它非线性效应产生的噪声,如来自泵浦光自位相调制和自发拉曼散射的噪声,在多种光子对带宽条件下实现了单光子探测器量子效率的绝对标定,也为准确地描述关联光子对的特性提供帮助。3、理论分析并实验验证了色散致啁啾对自发辐射的信号(闲频)光场时间模式特性的影响,包括泵浦光啁啾对信号(闲频)光场时间相干性的影响和信号(闲频)光场啁啾对独立光场干涉中时间模式匹配的影响。本研究为在独立光场量子干涉实验中得到高的干涉可见度提供指导,对于开展线性光学量子计算和离物传态等有重要的参考价值。4、介绍了频率纠缠光源的产生和检验方法,并利用算符演化方程推导了高增益下纠缠光源干涉可见度的表达式。分析了影响干涉可见度的原因,建立了干涉可见度与光子对符合计数率和随机符合计数率的比值之间的函数关系,为优化纠缠光源提供理论指导。