本書(shū)主要圍繞量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與應(yīng)用展開(kāi)。全書(shū)共5 章：緒論、紫外光場(chǎng)及單組分壓縮態(tài)光場(chǎng)、兩組分和三組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)、光電探測(cè)器設(shè)計(jì)理論分析、利用連續(xù)變量偏振糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)中確定性的糾纏分發(fā)。首先實(shí)現(xiàn)了糾纏態(tài)的制備，分別利用兩個(gè)和三個(gè)非簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大器得到兩組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)和連續(xù)變量三組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)，利用電磁感應(yīng)透明效應(yīng)建立了三個(gè)原子系綜間的量子糾纏；其次利用高信噪比自舉光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)壓縮度的有效提升；最終利用連續(xù)變量偏振糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)中確定性的糾纏分發(fā)，為構(gòu)建實(shí)用化量子網(wǎng)絡(luò)提供了一種可行方案。
本書(shū)可以作為高等院校原子分子物理、量子通信、量子存儲(chǔ)等相關(guān)領(lǐng)域師生的參考用書(shū)，也可供從事相關(guān)工作的科研與技術(shù)人員參考。

吳量，山西工程科技職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，系主任，光學(xué)專業(yè)博士，主要從事光學(xué)探測(cè)、信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、量子信息存儲(chǔ)等方面的研究工作，主持、參與多項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目和省部級(jí)項(xiàng)目；發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文10余篇。

本書(shū)稿首先進(jìn)行與銣原子D1線相匹配的連續(xù)變量非經(jīng)典光場(chǎng)的制備研究，為開(kāi)展光與原子相互作用研究提供了必須的量子資源；利用電磁感應(yīng)透明效應(yīng)執(zhí)行非經(jīng)典光場(chǎng)的量子存儲(chǔ)，建立了三個(gè)銣原子系綜之間的量子糾纏，并在三個(gè)獨(dú)立的量子通道中完成糾纏檢測(cè)。其次，分析了整個(gè)系統(tǒng)中存在的不穩(wěn)定因素，對(duì)影響PDH鎖定技術(shù)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了詳細(xì)研究，并提出了利用自舉放大技術(shù)，可極大地降低探測(cè)器的噪聲，并有效提高探測(cè)器的信噪比。利用連續(xù)變量多組份偏振糾纏開(kāi)展量子網(wǎng)絡(luò)中確定定性地糾纏分發(fā)研究方案，為下一步開(kāi)展實(shí)用化量子網(wǎng)絡(luò)研究提供了可行參考。 本書(shū)適合從事通信網(wǎng)絡(luò)、原子分子物理、量子網(wǎng)絡(luò)等的工程技術(shù)人員和高校相關(guān)專業(yè)師生參考閱讀。

當(dāng)前量子網(wǎng)絡(luò)已成為量子信息領(lǐng)域的熱門(mén)課題，通常一個(gè)實(shí)用化的量子網(wǎng)絡(luò)包括由光纖等構(gòu)成的量子信息傳輸通道以及由原子系綜、離子系統(tǒng)等構(gòu)成的量子節(jié)點(diǎn)。光場(chǎng)是量子信息傳輸?shù)睦硐胼d體，是實(shí)現(xiàn)量子節(jié)點(diǎn)間信息傳遞的基礎(chǔ)，要構(gòu)造一個(gè)真正的量子網(wǎng)絡(luò)，首先需要制備能與量子節(jié)點(diǎn)相互作用的非經(jīng)典態(tài)光場(chǎng)。由Stokes算符描述的偏振壓縮態(tài)以及偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)可以方便地和原子自旋算符對(duì)應(yīng)，且其測(cè)量方式簡(jiǎn)單，是構(gòu)造量子網(wǎng)絡(luò)的理想信息載體之一。量子中繼是延伸量子信息網(wǎng)絡(luò)的有效手段，而高效穩(wěn)定的量子存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)量子中繼的基礎(chǔ)。本書(shū)首先進(jìn)行與銣原子D1線相匹配的連續(xù)變量非經(jīng)典光場(chǎng)的制備研究，為開(kāi)展光與原子相互作用研究提供必需的量子資源;利用電磁感應(yīng)透明效應(yīng)執(zhí)行非經(jīng)典光場(chǎng)的量子存儲(chǔ)，建立了三個(gè)銣原子系綜之間的量子糾纏，并在三個(gè)獨(dú)立的量子通道中完成糾纏檢測(cè)。其次分析了整個(gè)系統(tǒng)中存在的不穩(wěn)定因素，對(duì)影響PDH 鎖定技術(shù)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了詳細(xì)研究，并提出利用自舉放大技術(shù)，可極大地降低探測(cè)器的噪聲，并有效提高探測(cè)器的信噪比。最后利用連續(xù)變量多組分偏振糾纏開(kāi)展量子網(wǎng)絡(luò)中確定性的糾纏分發(fā)方案研究，為下一步開(kāi)展實(shí)用化量子網(wǎng)絡(luò)研究提供了可行性參考。
本書(shū)的主要內(nèi)容如下：
① 建立了外腔倍頻系統(tǒng)，用1W 的基頻光泵浦，獲得了功率為380mW、波長(zhǎng)為398nm 的紫外激光，并利用熱輻射擴(kuò)散模型量化了熱效應(yīng)的作用。獲得的紫外激光為非經(jīng)典光場(chǎng)產(chǎn)生提供了泵浦源。
② 利用398nm 紫外光場(chǎng)泵浦兩個(gè)非簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大器(DOPA)得到兩束波長(zhǎng)為795nm 的正交振幅壓縮態(tài)光場(chǎng)，經(jīng)分束器和偏振棱鏡線性變換，對(duì)入射光場(chǎng)的位相進(jìn)行控制，分別得到與銣原子D1線對(duì)應(yīng)的偏振壓縮態(tài)光場(chǎng)和兩組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)。
③ 利用三個(gè)DOPA 分別產(chǎn)生兩束正交振幅壓縮態(tài)光場(chǎng)和一束正交位相壓縮態(tài)光場(chǎng)。將三束壓縮態(tài)光場(chǎng)及三束相干態(tài)光場(chǎng)在特別設(shè)計(jì)的分束器網(wǎng)絡(luò)上耦合，制備了連續(xù)變量三組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)。利用電磁感應(yīng)透明效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了三組分糾纏態(tài)光場(chǎng)在三個(gè)彼此距離2.6m 的銣原子系綜中的存儲(chǔ)，建立了三個(gè)原子系綜間的量子糾纏。之后，又研究了被存儲(chǔ)糾纏到三個(gè)光學(xué)通道的受控釋放，通過(guò)對(duì)釋放光場(chǎng)的糾纏檢測(cè)，證實(shí)了糾纏存儲(chǔ)。
④ 定量分析了光電二極管大的結(jié)電容對(duì)探測(cè)器噪聲的影響，提出了利用自舉放大技術(shù)，可極大地降低探測(cè)器的噪聲，并有效提高探測(cè)器的信噪比的方案。
設(shè)計(jì)了放大電路，理論計(jì)算其噪聲模型，重點(diǎn)關(guān)注影響高頻噪聲的元件參數(shù)，根據(jù)計(jì)算的元件參數(shù)，評(píng)估了每種電路的特點(diǎn)與不足，最終確定了跨阻抗放大電路的設(shè)計(jì)方法?；谝陨侠碚撗芯?，成功研制出了一種由跨阻抗放大器(TIA)電路和兩級(jí)自舉放大器電路組合的高信噪比低噪聲光電探測(cè)器。
⑤ 開(kāi)展了采用非簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大器系統(tǒng)和分束器網(wǎng)絡(luò)制備四組分Greenberger-Horne-Zeilinger-like (GHZ-like)偏振糾纏態(tài)和四組分類Cluster偏振糾纏態(tài)的原理研究，提出了四組分偏振糾纏判據(jù)?；谔岢龅乃慕M分偏振糾纏判據(jù)，開(kāi)展了利用連續(xù)變量四組分類GHZ偏振糾纏態(tài)和四組分類Cluster偏振糾纏態(tài)在長(zhǎng)距離通信光纖中進(jìn)行四用戶間確定性糾纏分發(fā)的研究。
本書(shū)是筆者在光學(xué)探測(cè)、信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、量子信息存儲(chǔ)領(lǐng)域研究成果的總結(jié)，研究?jī)?nèi)容受到國(guó)家自然科學(xué)基金委：基于介電常數(shù)近零材料的亞波長(zhǎng)薄膜非線性光源項(xiàng)目(62135008)和山西工程科技職業(yè)大學(xué)的資助，在此表示感謝。同時(shí)，感謝李少華、柴婷、王曉麗在本書(shū)結(jié)構(gòu)制定、數(shù)據(jù)整理、編寫(xiě)等方面提供的幫助。
限 于筆者水平，書(shū)中難免有疏漏和不足之處，懇請(qǐng)讀者和各位專家批評(píng)指正。

吳量
山西工程科技職業(yè)大學(xué)

第1章 緒論 1
1.1 光場(chǎng)的量子化 1
1.1.1 電磁場(chǎng)的量子化 1
1.1.2 海森堡不確定性原理 1
1.1.3 光場(chǎng)量子噪聲 2
1.2 非線性光學(xué)基礎(chǔ) 2
1.2.1 測(cè)不準(zhǔn)原理 2
1.2.2 線性化算符 3
1.2.3 二次諧波產(chǎn)生過(guò)程 3
1.2.4 光學(xué)參量放大 5
1.3 量子態(tài)光場(chǎng) 7
1.3.1 量子態(tài) 8
1.3.2 相干態(tài) 13
1.3.3 壓縮態(tài) 14
1.3.4 壓縮態(tài)的主要檢測(cè)方法 20
1.4 PDH 鎖定技術(shù) 22
1.5 量子信息 24
1.5.1 量子密鑰分發(fā) 25
1.5.2 量子中繼 28
1.5.3 量子存儲(chǔ) 28
1.6 本書(shū)主要內(nèi)容及章節(jié)安排 32

第2章 紫外光場(chǎng)及單組分壓縮態(tài)光場(chǎng) 33
2.1 概述 33
2.2 398nm 紫外激光的制備 34
2.2.1 基礎(chǔ)理論分析 34
2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置搭建 36
2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量及分析 37
2.3 795nm 偏振壓縮態(tài)光場(chǎng)的制備 39
2.3.1 偏振態(tài)光場(chǎng)的產(chǎn)生方法 40
2.3.2 壓縮態(tài)光場(chǎng)的測(cè)量 43
2.3.3 795nm偏振壓縮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建 46
2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量及分析 50
2.4 本章小結(jié) 51

第3章 兩組分和三組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng) 52
3.1 概述 52
3.2 795nm 兩組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)的制備 53
3.2.1 兩組分偏振糾纏態(tài)理論分析 54
3.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建 57
3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量及分析 59
3.3 明亮的三組分偏振糾纏態(tài)光場(chǎng)制備 60
3.3.1 三組分偏振糾纏理論分析 60
3.3.2 產(chǎn)生明亮的三組分偏振糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn) 65
3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量及分析 67
3.4 三原子系綜量子糾纏及量子存儲(chǔ) 69
3.4.1 三組分正交糾纏理論分析 70
3.4.2 利用EIT實(shí)現(xiàn)量子態(tài)由光場(chǎng)向原子系綜的映射 73
3.4.3 利用EIT實(shí)現(xiàn)量子態(tài)由原子系綜向光場(chǎng)的映射 75
3.4.4 三組分正交糾纏態(tài)光場(chǎng)在原子系綜中的量子存儲(chǔ) 76
3.5 本章小結(jié) 85

第4章 光電探測(cè)器設(shè)計(jì)理論分析 86
4.1 概述 86
4.2 光電探測(cè)器的性能衡量 89
4.2.1 信噪比 89
4.2.2 噪聲等效功率 89
4.2.3 帶寬    90
4.3 常用光電檢測(cè)器件介紹 90
4.3.1 PN光電二極管的工作原理 90
4.3.2 PIN光電二極管的工作原理 91
4.3.3 PIN光電二極管的基本特性 92
4.4 相關(guān)電路噪聲分析 93
4.4.1 跨阻放大原理分析 93
4.4.2 跨阻放大電路噪聲分析 95
4.4.3 FET晶體管噪聲分析 95
4.4.4 其他相關(guān)噪聲分析 96
4.5 利用自舉低噪聲光電探測(cè)器提升光場(chǎng)壓縮度的理論和實(shí)驗(yàn) 98
4.5.1 自舉低噪聲光電探測(cè)器電路設(shè)計(jì) 98
4.5.2 高頻PCB設(shè)計(jì) 102
4.5.3 自舉低噪聲光電探測(cè)器性能測(cè)試 103
4.6 本章小結(jié) 107

第5章 利用連續(xù)變量偏振糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)中確定性的糾纏分發(fā) 109
5.1 概述 109
5.2 連續(xù)變量類GHZ 和類Cluster 四組分正交糾纏態(tài)的產(chǎn)生原理 110
5.2.1 連續(xù)變量類GHZ態(tài)產(chǎn)生原理 111
5.2.2 連續(xù)變量類Cluster態(tài)產(chǎn)生原理 115
5.2.3 四組分正交糾纏態(tài)不可分判據(jù) 117
5.3 連續(xù)變量類GHZ 和類Cluster 四組分偏振糾纏態(tài)的產(chǎn)生與分發(fā) 118
5.3.1 連續(xù)變量類GHZ四組分偏振糾纏態(tài)的產(chǎn)生原理 118
5.3.2 連續(xù)變量類Cluster四組分偏振糾纏態(tài)的產(chǎn)生原理 120
5.3.3 連續(xù)變量類GHZ和類Cluster四組分偏振糾纏態(tài)在光纖中的傳輸 121
5.3.4 四組分偏振糾纏態(tài)不可分判據(jù) 122
5.3.5 理論計(jì)算結(jié)果與分析 124
5.4 本章小結(jié) 127

參考文獻(xiàn) 128