试验题目量子纠缠试验近代物理试验

1实验题目：量子纠缠实验（近代物理实验）王合英孙文博陈宜保葛惟昆清华大学实验物理教学中心【实验目的】通过本实验，不仅让学生更深刻地理解量子力学与非线性光学的相关理论知识，同时使学生在实验技能、科学素养、工作作风等各方面得到全面的培养与训练。由于本实验涉及的理论知识和实验技术范围广、可做的实验内容多，特别鼓励学生在实验过程中大胆提出自己的思路，以激发学生的创新思维，提高学生的综合实验能力。具体来说，本实验的目的可以概括为：1.了解量子纠缠态的概念、性质及其在量子信息领域的应用，进而深刻理解量子力学的本质与精髓。2.学习量子通讯的基本原理和过程，以及与量子通讯相关的一些基本概念和知识。3.学习光子纠缠源的性质及产生原理，学习相关的非线性光学的知识，如自发参量放大与振荡、相位匹配、自发参量下转换、非线性晶体的性质等，熟练掌握光学实验的光路调节和各种光学元件的调整技术。4.了解光纤传输和耦合的理论与技术，学习单光子计数器的工作原理和单光子2计数技术。5.学习对光子纠缠源产生的光子纠缠对比度的符合测量方法，并通过测量验算Bell不等式。【实验内容】核心内容：本实验涉及量子力学基本原理和量子通讯技术最基础和核心的内容，不仅包含丰富的物理理论知识，更是各种实验技术特别是光学技术的综合，因此要求学生在做实验时既要有清楚的物理图像，又具有比较强的动手操作能力；既要有严谨细致的工作作风，又要有创新精神。基本要求：学生有较好的光学和量子力学的理论基础，比较强的理论自学能力和比较强的光路调节能力，做实验要认真、有耐心、胆大细心。由于做本实验所需时间较长，要求学生做实验的时间能比较集中。基础部分：1.激光器性能判定2.BBO晶体主光轴校订3.双光子偏振纠缠态的制备和测量4.爱因斯坦佯谬和Bell不等式的实验测量研究型部分：1.学生在上述实验的基础上，查找资料，自己设计另一种光路实现双光子纠缠态的制备和测量，设计光路时可以用到其它的非线性光学元件，如PBS等。并对两种方法的优缺点对比分析。2.纠缠双光子的干涉实验。对比度曲线反映了两个光子的偏振关系，但此处的符合测量并不能直接反映两个光子的相干性质，学生可以尝试设计一种关于纠缠双光子的相干性的实验。【实验原理】31.引言上个世纪八十年代，量子力学与现代信息技术相结合产生量子信息学。与以前信息处理方式完全不同的是，在量子信息论中人们利用的是量子态本身，其基本任务是量子态的制备、存储、操纵、传输与读出。量子纠缠态在量子物理研究领域中占据极其重要的地位，同时又是量子信息技术中最基础和核心的内容。光量子纠缠态也是量子光学领域最近的研究热点。非线性晶体中的自发参量下转换过程是目前最普遍的光量子纠缠态的制备方案，而纠缠态特别是双光子纠缠态，已经不再拘泥于当初爱因斯坦等人提出的深奥玄妙的理论概念，而被应用到许多高新技术领域，如量子隐形传态、量子传真、量子密码通讯、量子图像学、量子光刻、量子计算及光探测器量子效率绝对标定及光辐射绝对测量等。量子纠缠的概念是在1935年分别由薛定谔及Einstein,Podohsky和Rosen在质疑量子力学的完备性时提出的，并称其为量子力学的精髓。量子纠缠指多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联，它是一种奇特而又十分复杂的纯量子现象，反映了量子力学的本质相干性、或然性和空间非定域性，已经并且广泛应用于蓬勃发展中的量子信息和量子计算中。为了让学生在近代物理实验中接触到一些科研的前沿领域，清华大学实验物理教学中心近物实验室以清华物理系量子通讯方面科学研究的最新成果为依托,把量子通信中包含丰富物理内容和现代技术的核心部分转化为光子纠缠源的教学实验。通过本实验，不仅让学生更深刻地理解量子力学的本质，而且通过各种现代技术把原本让人觉得比较抽象的量子态制备并测量出来，进而了解量子纠缠态在量子信息领域的各种应用。本实验涉及量子力学基本原理和量子通讯技术最基础和核心的内容，不仅包含丰富的物理知识如量子力学、线性光学、非线性光学、量子光学等理论，更是各种实验技术的综合，它涉及到光学及激光技术、光纤传输技术、单光子计数技术、符合测量技术等。实验可操作性强,又有丰富的研究性实验内容，从而保持其可发展的长久生命力，适合理论基础好、动手能力强的学生做设计性、研究性实验。2.量子纠缠态及其性质根据量子力学理论，一个孤立的微观体系A，其状态一定可以用一个纯态来4完备地描述，但如果考虑它与外界环境B之间的相互作用，将导致A和B状态之间的量子纠缠。玻姆曾用一个假想实验来说明纠缠的这种特性。假设一个双原子分子的总角动量为零，由于内部的作用，两个原子在空间上发生了分离。由于这个过程的角动量守恒，所以只能有两种结果：原子1自旋向上，原子2自旋向下；或者原子1自旋向下，原子2自旋向上。由于这两种情况根本无法区分，所以其波函数可以写为：1212121[]2（1）当两个原子之间的距离足够远，以至于他们之间不会再有相互作用，此时测量两个原子的自旋，结果发现，无论在什么基矢下测量，这两个原子的自旋都呈现完美的反关联。这一结果是不能用任何经典定域实在论解释的。当两个系统A和B处于量子纠缠时，其最显著的特征是：子系统A和B的状态都依赖于对方而各自处于一种不确定的状态。这个特征可由测量造成的塌缩得知。量子纠缠态是复合体系中常见的一种态，它除了具有一般量子态的各种特性如相干性、不确定性等之外，更重要的是还具有子系统间的相互关联的不可分性、非定域性等奇异特性。一个典型的纠缠态例子是由两个自旋1/2粒子组成的系统，其自旋单态和自旋三重态均不能简单地表示为两个粒子各自量子态的直积，从而显示出非经典的量子关联。(2)(3)人们把上述四个态称为Bell态，它们是纠缠度最高的态。当由两个自旋为1/2的粒子A和B组成的系统处于纠缠态时，粒子A和B的空间波包可以彼此相距遥远而完全不重叠，这时依然会产生关联塌缩。例如对态中的A粒子做测量时，A各有1/2的几率得到自旋向上态和自旋向下态。如果测)1100(21)0110(214,32,1)1100(21BABA5得A自旋向上，则这个态就塌缩到0A0B,所以如果A的状态塌缩到0A，则B必为0B；；如果A的状态塌缩到1A，则B必为1B；。由此看到，对于处于一个纯态的两个子系统之一进行测量，虽然不能对另一子系统产生直接的相互作用，但却包含了另一子系统的信息，并在瞬时改变了另一子系统的描述。因此纠缠态的关联是一种超空间的、非定域性的关联。总之，量子纠缠态具有如下的性质：当所研究的体系包括两个或两个以上的子系统时，在某些特定的条件下，子系统之间会具有空间非定域关联特性。此时在任何量子力学表象中，都无法表示为组成它的各子系统量子态矢的直积形式时，这些子系统之间即表现出相互纠缠的不可分特性；即使将它们空间分离，对一个子系统的观察也必然影响另一个子系统的测量结果。由于量子力学的态叠加原理，量子系统的任意未知量子态，不可能在不遭受破坏的前提下，以100％成功的概率被克隆到另一个量子体系上。正是由于量子纠缠态的这种非定域的关联性和不可克隆性，使得量子通讯有更多的优越性。量子信息处理允许信息、即量子态的相干叠加，当我们用量子态来加载信息时,量子通信系统可以在如下几个方面超越经典通信系统：绝对安全性、高效率和高通道容量。由于量子纠缠是量子信息科学的基础和核心，所以从实验上制备出纠缠态并研究其性质进而应用于量子信息各个领域就具有特别重要的意义。这也正是我们开设本实验的意义。3.双光子偏振纠缠态的制备方法与发展历程量子纠缠态最初是EPR（A.Einstein,B.Podolsky,andN.Rosen）用来非难量子力学而提出的一个特殊态。为了能够在实验的层次上验证EPR的说法是否正确，就必须首先在实验上产生纠缠态。原则上说，任何可以控制相互作用的量子系统之间都可以产生纠缠，但是对微观量子系统进行可控操作并不是一件容易的事。产生纠缠态的方法很多，可以利用原子手段，也可以在固体中产生纠缠态。但迄今为止，实验上技术最成熟、应用最广泛的还是用光学手段产生的光子纠缠。利用非线性晶体中的自发参量下转换（SPDC——spontaneousparametricdown-conversion）过程实现双光子纠缠的产生和操纵，探测简便，纠缠纯度高，6相干性保持距离长，所以应用也最为广泛。非线性晶体中自发参量下转换现象是1967年Cornell大学Magde和Mahr首次在实验上观察到的。1987年，美国罗切斯特大学的C.K.Hong、Z.Y.Ou和L.Mandel利用I型切割的KDP晶体产生自发参量下转换双光子对，1988年马里兰大学的Y.H.Shih和C.O.Alley首次利用KDP的下转换光子对作为EPR实验的纠缠源检验Bell不等式，结果违背Bell不等式，有力地证实了量子力学非局域性的存在。由于对光子的偏振在实验上操作较为方便，后来人们开始制备偏振纠缠的双光子对。1994年，Y.H.Shih等利用BBO晶体的II型参量下转换产生偏振纠缠的双光子对，以共线匹配实现偏振纠缠的四阶干涉和差拍干涉等实验。随着双光子纠缠的实验和理论研究的不断深入，自发参量下转换制备双光子纠缠的基本理论也日臻成熟。4.EPR佯谬和Bell不等式的实验测量，验证纠缠量子态的非局域性1935年爱因斯坦斯坦等三人对量子力学的完备性提出了质疑，即著名的EPR佯谬。在他们的文章中提出了考察量子力学完备性的三个前提。（1）任何两个互不接触并不可能直接作用的系统，对其中任何一个系统的测量，量子力学的预言是正确的。（2）要是对一个系统没有干扰，如果能够确定地（以概率一）预测一个物理量的值，那么对应于这一物理量，必定存在一个物理实在元素。（3）对于任何两个分开的系统，对其中一个系统做的任何物理操作不应对另一个系统有任何影响，也就是说自然界没有超距作用。1951年玻姆（Bohm）将EPR的观点用在自旋表象中具体化。玻姆希望能用一种所谓的局域隐变量理论来解决EPR对量子力学的非难。问题的关键就是隐变量理论能否和量子力学的对易关系相协调。这种争论在1965年以前主要都是从哲学的观点上进行辩论。而1965年J.S.Bell的工作改变了这种局面。Bell的工作将多年公案数学化为一个可供实验判别的具体表达式。许多人分别从理论和实验上对此进行了广泛研究，推出了支持量子力学而否认定域论导出的不等式。1965年，Bell从Einstein的定域实在论和有隐变量存在这两点出发，推导出二粒子的自旋纠缠态关联函数满足一个不等式。cbPcaPbaP,1,,7为a、b两个方向测量结果的关联函数。Bell不等式指出，基于隐变量和定域实在论的任何理论都遵守这个不等式，而量子力学的理论却可以破坏这个不等式。实验上容易检验的Bell不等式是1969年Clauser,Horne,Shimony和Holt提出的CHSH不等式：为AB两路极化片分别为时的符合计数。第一个检验CHSH不等式的实验是Freedman和Clauser1972年用原子级联辐射(J=0→J=1→J=0)做的实验，实验结果为R=0.300±0.008，隐变量理论的最大值为0.25。此外还有很多使用原子级联辐射检验CHSH不等式的实验，大多数的实验结果都支持量子力学，其中最著名的实验就是Aspect,Grangier,andRoger1981年的实验。实验结果与量子力学符合极好，以40倍标准偏差破坏贝尔不等式。精确度最高的实验是用纠缠光子做出的。因此实验上对于Bell不等式的测量和验证将是对量子力学是否具有完备性的最有力的说明。CHSH不等式的实验检验无论是对量子力学基本原理的检验方面还是对量子信息安全性的保证方面都有很重要的意义，所以这方面有大量的实验工作。CHSH不等式的实验测量及验证也是本实验的一个研究性内容。5.非线性光学效应--光学参量放大与振荡自发参量下转换是晶体的非线性光学效应。当光场E作用于介质，会在介质中产生电极化强度P。在线性光学范畴，EP0