[00144547]非线性光场与量子光场的调控理论及其在通信中的应用

通过光场与光场、光场与物质的相互作用精密控制,可以获得新型的时空结构光场。研究光场体系的调控,可获得光场特性和效应上的新认知,催生光场的新概念和新理论,形成新的实验装置和方法,有助于新型量子、非线性、多维度光学功能器件的研发,从而为信息、化学、生命、材料和通信等领域提供新的理论、器件及技术。本项目研究非线性光场（强场）与量子光场（弱场）中的光场间相互作用与调控问题,并将研究成果应用于通信领域中。项目研究立项来源于：（1）主持并完成的3个国家基金青年项目:（a）新型人工晶格波导中晶格孤子对称性自发破缺的研究,No.11104083;（b）矢量孤子分子及其相态特性研究,No.11204037;（c）光子晶体中的量子纠缠动力学演化及其保护机理研究,No.11204089。（2）主持并完成2个广东省自然科学基金面上项目:（a）用连续变量纠缠态作为信道进行量子通信的研究,No. 020127;（b）量子纠缠与量子远程幺正变换问题研究,No. 06029431。（3）主持并完成2个中国科技大学量子通信与量子计算开放实验室开放研究课题:（a）量子通信中远距离EPR纠缠对的建立, No.2000-012; （b）连续变量纠缠态及其在量子信息中的应用,No.2001-024。 本项目的主要工作与成果有： 一、研究空间孤子与时间孤子的产生及相干调控。 1)在空域光场调控方面,研究在离散光学系统中的孤子传输特性。在线性波导系统中引入一对具有等量增益和损耗的非线性波导构成一个PT缺陷,研究了PT缺陷下空间孤子光场的传输、散射,首次获得了PT缺陷下离散孤子的解析解及其稳定存在的范围。研究了一个二维具有等量增益和损耗的耦合波导系统非线性光传输特性,首次实现了具有PT对称性的二维离散涡旋孤子,填补了涡旋孤子家族的一个空白。研究成果在全光通信器件及光控光网络系统中有重要的应用价值。 2)在时域光场调控方面,本项目利用组合嫁接的啁啾布拉格材料,实现了具有高Q值、群速度为0.03倍光速的皮秒孤子脉冲的非互易性传输。在光纤激光器中实验观察到了飞秒孤子与皮秒孤子借助连续光的牵引实现脉冲间从共存态到相干态的超距全域调制演化过程。探索和总结出一种基于锁模器的偏振相关特性产生多种时域多脉冲孤子簇格式的物理手段。研究成果在光孤子通信系统中有潜在的应用价值。 二、研究量子纠缠态光场的操控与量子远程控制。 1)在纠缠态光场的性质与操控研究方面,揭示了在双模纠缠态的某个模上加入或抽取光子对另一个模影响的规律。首次发现,若在双模压缩真空态的某个模上加入光子,可使另一个模的平均光子数呈整数倍增加,出现量子“放大”效应;若在它的某个模上抽取光子,效果相当于在另一个模上加入同样数目的光子。该成果对研究连续变量光纠缠态的性质及其操控有实质性的推动和贡献。 2)在量子远程操控研究方面,研究远程辨识、转换非正交量子态的新方法,取得了迄今最优异的资源利用率和最大的成功概率或最小的误差,阐明了局域操作、经典通信和共享纠缠辅助下开放量子系统远程协作测量的物理机理。优化已有的实现非局域N体量子幺正操作的量子线路,使所需的局域二体门数目从已知的随N指数增加下降为随N线性增加。率先利用非理想量子信道确定性地实现终端开放的和多个监控点的量子幺正变换的远程操控。研究成果为切实解决在量子比特相干时间内尽可能多、快、好、省地完成量子操控这一核心问题供了新的视野,同时也对构建不同自由度混合的杂化量子通信网络的研究提供可借鉴的思路。 研究成果在国内外重要刊物累计发表第一作者或通信作者SCI收录论文92篇,在国内权威期刊《中国科学》上发表论文6篇。成果得到国内外同行的关注和认可,10篇代表性论文SCI引用次数为168次,他引次数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与评论。