1. 研究目的与意义
综述与调研：
近年来，量子信息因其在确保信息传输安全、提高信息处理速度和增加测量精度等方面的独特优势获得迅猛发展。量子关联特性涉及量子力学的基础，是量子信息处理领域的基本资源。在光量子之间产生量子关联的最有效方法是自发参量下转换(spdc)。这种物理现象于上世纪六十年代末发现，随着激光器和光子探测器的发展，逐步应用于各类前沿的量子技术，如量子计量学、量子通信、量子成像与传感、量子密钥分发、量子计算等。此外，它还在验证有关量子力学基础的实验发挥重要作用。研究者多年来对自发参数下转换光子态的量子统计行为持续推进研究，范围已经覆盖包括相干泵浦、强泵浦、微弱信号和闲散模式、双光子关联、非经典统计性质、空间分布和偏振特性、检测过程等诸多方面。
量子信息处理可以在多种物理系统中实现，其中光量子比特具有与环境耦合小、传播速度快、编码方式多样的特点，是理想的量子信息载体之一。自发参量下转换常被用作量子光源，产生双光子(biphoton)。国内外关于该领域的研究繁多且庞杂，一些典型的例子包括：通过光学自发参数下转换产生高施密特数纠缠光子态；应用于hong-ou-mandel双光子干涉实验以展示其量子关联特性；太赫兹领域诸如制备由一个光学和一个太赫兹光子构成的光学-太赫兹双光子对、强泵浦非简并spdc双光子一阶和二阶关联函数的理论研究、太赫兹光谱源亮度的量子校准技术、光学-太赫兹双光子的非经典辐射等。值得一提的是，光子纠缠也是spdc过程光子关联的重要延伸。实现纠缠光子态的制备、传输、存储、探测; 获得高效量子光源、调制器等功能元件并完成特定量子信息处理功能，已成为量子信息技术走向广泛应用的重要途径。其中一个很有特色的方面是通过设计介电体超晶格畴结构来调制spdc光子态的关联函数，产生所需的频率、动量、路径、偏振、空间模式等不同特性的光子纠缠态。这类研究起始于瑞士尼斯大学n.gisin课题组，随后j. p. torres课题组通过在传统纵向周期极化畴结构中先后引入横向调制与啁啾调制，进行了双光子空间自由度方面的研究。波士顿大学abu thomas课题组则通过设计非对称强啁啾调制，实现了宽波段纠缠光源的有效调制。在国内方面，南京大学祝世宁课题组具有突出贡献，代表性的工作有：使用多通道周期极化钽酸锂超晶格产生高维路径纠缠；使用单片二维六角极化钽酸锂晶片产生单光子路径纠缠态和双光子n00n态；设计非周期超晶格产生锁模双光子态；制备双光子三路径dicke态；通过单片两段式ppln操控三光子频率关联等。上海交通大学陈险峰课题组在制备多通道偏振纠缠光源、时间-能量纠缠交换等方面做出了颇具影响力的工作。国立清华大学褚志崧教授则分析了短程有序的随机准相位匹配结构对下转换光子对量子特性的影响。
2. 研究内容和问题
基本内容：
光子在多个维度的量子关联是许多前沿量子光学领域的基础，这类非经典的光子数关联的应用涉及从计量学、密码学到成像的诸多领域。目前，自发参量下转换（spdc）过程仍然是产生光场间量子关联的高效方法，研究该过程中光子关联的产生、调控和探测问题，可以为进一步开发相关量子光学技术提供了推动力。本课题从物理图像出发，内容涉及对量子光学中对自发参量下转换过程的描述；推导spdc过程发射光子的统计分布；推导探测光子的统计行为；探讨远场收集多模式光子的技术问题。
3. 设计方案和技术路线
研究方法：
查阅文献资料，理解自发参量下转换过程；根据文献总结光子态量子关联相关的研究现状；理论推导多模式光子态量子关联的公式与spdc过程发射光子的统计分布; matlab编程绘制探测spdc光子的统计行为；依据特定文献考虑远场收集多模式光子的技术问题。
技术路线：
4. 研究的条件和基础
指导者自攻读博士学位以来一直从事基于铌酸锂畴工程的量子光学相关研究工作，基于各向异性介质铌酸锂晶体/波导系统研究其中的多物理场-物质相互作用过程，在传统非线性光学方面取得一些进展。近年来研究方向逐渐转向通过设计铌酸锂铁电畴实现对于光量子态的产生和调控，已经积累了较丰富的经验，能够保证本课题未来的顺利实施。
光学仿真模拟软件如矩阵实验室matlab、多物理场耦合分析软件comsol multiphysics容易获得，结合编程能够解决多模式光场空间模式的仿真模拟及铌酸锂体系参量下转换过程的数值计算。
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