[00144547]非線性光場與量子光場的調控理論及其在通信中的應用

通過光場與光場、光場與物質的相互作用精密控制,可以獲得新型的時空結構光場。研究光場體系的調控,可獲得光場特性和效應上的新認知,催生光場的新概念和新理論,形成新的實驗裝置和方法,有助于新型量子、非線性、多維度光學功能器件的研發,從而為信息、化學、生命、材料和通信等領域提供新的理論、器件及技術。本項目研究非線性光場（強場）與量子光場（弱場）中的光場間相互作用與調控問題,并將研究成果應用于通信領域中。項目研究立項來源于：（1）主持并完成的3個國家基金青年項目:（a）新型人工晶格波導中晶格孤子對稱性自發破缺的研究,No.11104083;（b）矢量孤子分子及其相態特性研究,No.11204037;（c）光子晶體中的量子糾纏動力學演化及其保護機理研究,No.11204089。（2）主持并完成2個廣東省自然科學基金面上項目:（a）用連續變量糾纏態作為信道進行量子通信的研究,No. 020127;（b）量子糾纏與量子遠程幺正變換問題研究,No. 06029431。（3）主持并完成2個中國科技大學量子通信與量子計算開放實驗室開放研究課題:（a）量子通信中遠距離EPR糾纏對的建立, No.2000-012; （b）連續變量糾纏態及其在量子信息中的應用,No.2001-024。 本項目的主要工作與成果有： 一、研究空間孤子與時間孤子的產生及相干調控。 1)在空域光場調控方面,研究在離散光學系統中的孤子傳輸特性。在線性波導系統中引入一對具有等量增益和損耗的非線性波導構成一個PT缺陷,研究了PT缺陷下空間孤子光場的傳輸、散射,首次獲得了PT缺陷下離散孤子的解析解及其穩定存在的范圍。研究了一個二維具有等量增益和損耗的耦合波導系統非線性光傳輸特性,首次實現了具有PT對稱性的二維離散渦旋孤子,填補了渦旋孤子家族的一個空白。研究成果在全光通信器件及光控光網絡系統中有重要的應用價值。 2)在時域光場調控方面,本項目利用組合嫁接的啁啾布拉格材料,實現了具有高Q值、群速度為0.03倍光速的皮秒孤子脈沖的非互易性傳輸。在光纖激光器中實驗觀察到了飛秒孤子與皮秒孤子借助連續光的牽引實現脈沖間從共存態到相干態的超距全域調制演化過程。探索和總結出一種基于鎖模器的偏振相關特性產生多種時域多脈沖孤子簇格式的物理手段。研究成果在光孤子通信系統中有潛在的應用價值。 二、研究量子糾纏態光場的操控與量子遠程控制。 1)在糾纏態光場的性質與操控研究方面,揭示了在雙模糾纏態的某個模上加入或抽取光子對另一個模影響的規律。首次發現,若在雙模壓縮真空態的某個模上加入光子,可使另一個模的平均光子數呈整數倍增加,出現量子“放大”效應;若在它的某個模上抽取光子,效果相當于在另一個模上加入同樣數目的光子。該成果對研究連續變量光糾纏態的性質及其操控有實質性的推動和貢獻。 2)在量子遠程操控研究方面,研究遠程辨識、轉換非正交量子態的新方法,取得了迄今最優異的資源利用率和最大的成功概率或最小的誤差,闡明了局域操作、經典通信和共享糾纏輔助下開放量子系統遠程協作測量的物理機理。優化已有的實現非局域N體量子幺正操作的量子線路,使所需的局域二體門數目從已知的隨N指數增加下降為隨N線性增加。率先利用非理想量子信道確定性地實現終端開放的和多個監控點的量子幺正變換的遠程操控。研究成果為切實解決在量子比特相干時間內盡可能多、快、好、省地完成量子操控這一核心問題供了新的視野,同時也對構建不同自由度混合的雜化量子通信網絡的研究提供可借鑒的思路。 研究成果在國內外重要刊物累計發表第一作者或通信作者SCI收錄論文92篇,在國內權威期刊《中國科學》上發表論文6篇。成果得到國內外同行的關注和認可,10篇代表性論文SCI引用次數為168次,他引次數105次,他引率62.5%,得到了Nature Photon.,Rev. Mod. Phys., Phys. Rep.,Phys. Rev. Lett.等重要刊物的正面引用與評論。