基于PPLN波导非线性效应的确定性量子纠缠网络实验研究
批准号:
12074155
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
李渊华
依托单位:
学科分类:
光场调控与非线性光学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李渊华
中文摘要
量子纠缠网络是应用量子信息和检验量子理论的重要平台。纠缠交换是构建量子纠缠网络的关键技术。然而,基于线性光学纠缠交换的量子纠缠网络在没有后选择的情况下无法使用。为此亟需研制出确定性的量子纠缠网络。我们预研发现,基于非线性光学技术理论上可以实现无需后选择的纠缠交换,这为构建确定性的量子纠缠网络提供了重要途径。我们前期研究已实现单光子源和单光子的非线性作用。本项目基于周期性极化铌酸锂(PPLN)波导良好的非线性特性,围绕“确定性量子纠缠网络”的主题,拟开展以下研究:(1)高亮度单光子源的非线性产生;(2)远距离的量子纠缠分发;(3)确定性的量子纠缠交换;(4)基于纠缠交换的量子安全直接通信。通过4年的努力,实现一个确定性的量子纠缠网络,完成300公里以上的纠缠分发,实现各用户间共享纠缠态的保真度均大于90%,完成点对点的量子安全直接通信,为构建大规模地面量子纠缠网络提供理论依据和实验基础。
英文摘要
Quantum entanglement network is an important platform for applying quantum information and testing quantum theory. Entanglement swapping is the key technology for constructing quantum entanglement networks. However, quantum entanglement networks based on linear optical entanglement swapping cannot be used without post-selection. Therefore, it is urgent to develop a deterministic quantum entanglement network. Our preliminary research found that based on nonlinear optical technology, quantum entanglement swapping without post-selection can be realized in theory, which provides an important way to build a deterministic quantum entanglement network. Our previous research has achieved a single-photon source, and nonlinear interaction between single photons. This project is going to focus on the nonlinear effect of PPLN waveguides and experimental research on quantum entanglement network, which includes the following parts: (1) Non-linear generation of high-brightness single-photon source; (2) Long-distance quantum entanglement distribution; (3) Deterministic quantum entanglement swapping; (4) Quantum secure direct communication based on entanglement swapping. After 4 years of efforts, a deterministic quantum entanglement network has been implemented, entanglement distribution over 300 kilometers has been completed, the fidelity of any two users sharing entanglement states is greater than 90%, and point-to-point quantum secure direct communication has been realized. This project will provide theoretical and experimental basis for building a large-scale ground entanglement swapping quantum communication network.
确定性的量子纠缠交换在量子网络中有着重要的应用,比如量子频率转换接口、量子密钥分发、量子网络融合。在本研究课题中,我们基于周期性极化铌酸锂(PPLN)波导芯片非线性效应,产生了高效的单光子源,实现了远距离的量子纠缠分发,完成了量子纠缠交换,进行了基于纠缠交换的量子安全直接通信,为未来的光量子网络提供了理论指导。除实现项目的预期目标外,还取得了如下成果:.1)我们通过利用PPLN波导中的级联倍频和自发参量下转换二阶非线性效应制备了高性能的偏振和time-energy自由度的超纠缠量子光源,并利用铌酸锂波导的高速电光效应对偏振态进行相干操纵。 .2)我们利用PPLN中级联和频非线性过程和EO偏振耦合实现量子叠加态的转换,研究结果表明单个光子的OAM状态可以通过在非线性晶体上施加横向电场按需调制,频率转换前后的量子态保真度均高于97%。 .3)我们通过利用傅里叶变换4f系统搭配液晶空间光调制器作为单光子整形装置,在多用户量子网络中实现了基于遗传优化算法的频率无关单光子波前整形。.4)我们基于PPLN波导构建了全连接型三用户量子纠缠网络,实现了15个用户量子安全直接通信网络,以及基于time-bin纠缠的16用户全连接拓扑量子通信网络。 .5)项目实施期间,项目成员在Light: Science and Applications, Laser & Photonics Reviews, npj Quantum information, Physical Review Applied等期刊发表论文9篇,申请发明专利2项,共同培养研究生5名。
基于PPLN波导芯片的单光子频率转换的光量子接口研究
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批准号:11804135
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:29.0万元
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批准年份:2018
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负责人:李渊华
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依托单位:
国内基金
海外基金