实验题目量子纠缠实验(近代物理实验)

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

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】

1.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

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：

121212]ψ=↑↓-↓↑ （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±=ψ±=ψ)

1100(21B A B A +