基于二能级光量子态存储效率的研究

本文研究利用沉默再生效回声(ROSE)技术实现光量子态存储的效率。利用自然非均匀展宽的二能级原子系综,不需应用任何外部的电场或磁场进行调控。在均匀光谱分布下,我们对吸收过程和读取过程进行分析,得出量子的存储效率。发现对于光子向前读取过程,存储效率的最大值能达到54%;而当光深度达到无穷大时,向后的读取效率可达到100%。我们给出了详细的理论推导过程。     

在非对称光腔中利用CRIB技术进行光量子态存储

本文提出了一个在光腔中利用可控逆非均匀展宽技术实现高效的量子存储方案.当光场在光腔中每次往返的吸收与透射到光腔中光场强度完全一样时(阻抗匹配条件),发现进入光腔中的光场可以完全被非均匀展宽原子系综吸收.通过计算得到无论是向前读取还是向后读取的方案,量子存储效率在光深度很小时都可以达到1.若没有光腔100％的存储效率仅仅只有在光深度无穷大时才能得到.在光深度很小时就能达到高效的量子存储在实验上非常容易实现.因此该方案为实验上实现高效的量子存储提供一个确实可行的方法.     

在光腔中利用自然非均匀展宽的原子系综进行光量子态存储

在非对称的光腔中,我们提出了一个利用自然非均匀展宽的原子系综实现高效量子存储方案.在这个存储方案里我们使用了类似于传统光子回声技术中强π脉冲,而不是烧孔技术.这使得我们的方案可以在更多的材料体系中实现.在阻抗匹配的条件下,我们发现进入光腔的光脉冲可以完全被原子系综吸收.而且在光深度很小时,量子存储效率就可以达到1.     

低浓度掺杂的量子点粒度分布对荧光辐射谱的影响

当量子点粒度分布为高斯分布时,应用有效质量近似,在低浓度掺杂范围内,得到了量子点荧光辐射谱线形函数与量子点尺寸之间的一般关系,解释了尺寸涨落对线形展宽的影响。对II-VI族的Cd Se量子点和IV-VI族的Pb Se量子点的数值计算表明:量子点荧光谱线的半峰全宽、荧光辐射强度、峰值波长等与实验结果基本一致。量子点尺寸的粒度分布对荧光辐射谱线展宽有较大的影响。荧光辐射谱展宽是一种非均匀展宽。     

三能级钾原子气体三维傅里叶变换频谱的解析解

利用投影切片定理、傅里叶位移定理和误差函数给出三能级钾原子气体三维傅里叶变换频谱在T=0界面的解析解.固定均匀线宽,非均匀展宽和对角线相关系数可以定量地识别,通过在适当方向上拟合三维傅里叶变换频谱谱峰的切片来确定.结果表明,非均匀展宽增大,频谱图沿着对角线方向延伸,对角线相关系数增大,频谱图逐渐变圆,振幅也逐渐变小.     

谱线非均匀展宽条件下原子激发的计算方法

原子吸收谱线展宽对原子光激发有较大的影响.在速率方程理论中人们通常将原子谱线的均匀展宽和非均匀展宽都归于原子谱线的线型函数.本文提出了一种将均匀展宽和非均匀展宽区别处理的原子激发计算方法,并指出当激发光与原子作用时间短于原子热运动平均碰撞时间时,这种区别对待均匀展宽和非均匀展宽的做法是十分必要的.并将文中提出的新方法应用于一个二能级原子跃迁过程的计算,计算结果显示两种方法具有很大差别.     

谱线非均匀展宽条件下原子激发的计算方法

原子吸收谱线展宽对原子光激发有较大的影响.在速率方程理论中人们通常将原子谱线的均匀展宽和非均匀展宽都归于原子谱线的线型函数.本文中提出了一种将均匀展宽和非均匀展宽区别处理的原子激发计算方法,并指出当激发光与原子作用时间短于原子热运动平均碰撞时间时,这种区别对待均匀展宽和非均匀展宽的做法是十分必要的.文中还将本文提出的新方法应用于一个二能级原子跃迁过程的计算,计算结果显示两种方法具有很大差别.     

冷原子系综中光存储效率与耦合光强的关系研究

我们在87Rb冷原子团中利用电磁感应透明(EIT)动力学过程实现了光学信号的存储与释放,研究了光存储效率与耦合光强的关系.实验结果表明,在较低的耦合光强下,存储效率随耦合光强增大而增大,当耦合光达到一定强度时,存储效率不再增高,然后随着耦合光强增大而降低.通过分析光脉冲在冷原子团中传播时的吸收和色散特性,我们对存储效率随耦合光强的变化趋势给出了定性解释.     

多普勒展宽和多普勒频移在光谱分析中的应用

分析了多普勒展宽和多普勒频移区别，讨论了高斯拟合和弦积分线形分布的差异。利用多道光学分析仪（OSMA）测量HT-6M托卡马克限制器前Hα线形分布，通过高斯拟合由多普勒展宽和多普勒频移分别得出等离子温度和粒子入射速度。     

线性共蒸法制备非均匀膜的误差特性模拟分析

对双源线性共蒸法制备的非均匀薄膜折射率分布与光学特性的关系作了探讨,并与均匀介质膜的光学特性作了对比;从折射率正变和负变两个方面,讨论了混合介质膜折射率不同变化规律对光学性能带来的影响;讨论了厚度误差和折射率极值误差对非均匀膜光学性能的影响。结果发现折射率变化规律误差主要对非均匀膜的应用波段范围产生影响,而膜层厚度误差和折射率极值误差超过一定值时,将对薄膜光学特性产生重要影响。     

多模式固态量子存储

量子存储器是光子与物质系统之间的接口,允许存入和读出加载了量子信息的光子,是构建实用化量子网络的核心器件.基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器,较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一.本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展.主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储.在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作.该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础,其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.     

A high-fidelity memory scheme for quantum data buses

A novel quantum memory scheme is proposed for quantum data buses in scalable quantum computers by using adjustable interaction. Our investigation focuses on a hybrid quantum system including coupled flux qubits and a nitrogen–vacancy center ensemble. In our scheme, the transmission and storage(retrieval) of quantum state are performed in two separated steps, which can be controlled by adjusting the coupling strength between the computing unit and the quantum memory. The scheme can be used not only to reduce the time of quantum state transmission, but also to increase the robustness of the system with respect to detuning caused by magnetic noises. In comparison with the previous memory scheme, about 80% of the transmission time is saved. Moreover, it is exemplified that in our scheme the fidelity could achieve 0.99 even when there exists detuning, while the one in the previous scheme is 0.75.     

Suppressing laser phase noise in an optomechanical system

We propose a scheme to suppress the laser phase noise without increasing the optomechanical single-photon coupling strength.In the scheme,the parametric amplification terms,created by Kerr and Duffing nonlinearities,can restrain laser phase noise and strengthen the effective optomechanical coupling,respectively.Interestingly,decreasing laser phase noise leads to increasing thermal noise,which is inhibited by bringing in a broadband-squeezed vacuum environment.To reflect the superiority of the scheme,we simulate quantum memory and stationary optomechanical entanglement as examples,and the corresponding numerical results demonstrate that the laser phase noise is extremely suppressed.Our method can pave the way for studying other quantum phenomena.     

Quantum‐Memory‐Assisted Entropic Uncertainty Relations

Uncertainty relations take a crucial and fundamental part in the frame of quantum theory, and are bringing on many marvelous applications in the emerging field of quantum information sciences. Especially, as entropy is imposed into the uncertainty principle, entropy‐based uncertainty relations lead to a number of applications including quantum key distribution, entanglement witness, quantum steering, quantum metrology, and quantum teleportation. Herein, the history of the development of the uncertainty relations is discussed, especially focusing on the recent progress with regard to quantum‐memory‐assisted entropic uncertainty relations and dynamical characteristics of the measured uncertainty in some explicit physical systems. The aims are to help deepen the understanding of entropic uncertainty relations and prompt further explorations for versatile applications of the relations on achieving practical quantum tasks.     

Practical decoy-state BB84 quantum key distribution with quantum memory

We generalize BB84 quantum key distribution(QKD) to the scenario where the receiver adopts a heralded quantum memory(QM). With the heralded QM, the valid dark count rate of the receiver's single photon detectors can be mitigated obviously, which will lower the quantum bit error rate, and thus improve the performance of decoy-state BB84 QKD systems in long distance range. Simulation results show that, with practical experimental system parameters, decoy-state BB84 QKD with QM can exhibit performance comparable to that of without QM in short distance range, and exhibit performance better than that without QM in long distance range.     

Rare-earth quantum memories: The experimental status quo

Rare-earth doped crystals carry great prospect in developing ensemble-based solid state quantum memories for remote quantum communication and fast quantum processing applications. In recent years, with this system, remarkable quantum storage performances have been realized, and more exciting applications have been exploited, while the technical challenges are also significant. In this paper, we outlined the status quo in the development of rare-earth-based quantum memories from the point of view of different storage protocols, with a focus on the experimental demonstrations. We also analyzed the challenges and provided feasible solutions.     

Quantum leakage of collective excitations of atomic ensemble induced by spatial motion

We generalize the conception of quantum leakage for the atomic collective excitation states. By making use of the atomic coherence state approach, we study the influence of the atomic spatial motion on the symmetric collective states of 2-level atomic ensemble due to inhomogeneous coupling. In the macroscopic limit, we analyze the quantum decoherence of the collective atomic state by calculating the quantum leakage for a very large ensemble at a finite temperature. Our investigations show that the fidelity of the atomic system will not be good in the case of atom numberN→∞. Therefore, quantum leakage is an inevitable problem in using the atomic ensemble as a quantum information memory. The detailed calculations shed theoretical light on quantum processing using atomic ensemble collective qubit.     

基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配研究

针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.     

量子存储研究进展

量子技术,比如量子通信、量子计算,具有经典技术所不具有的优势.但是,作为量子技术基本元素的量子态往往极为脆弱,很容易受到外界环境的影响而丢失,而且量子态的制造和量子操作往往是概率性的.这种概率性使得远距离量子通信和大规模的量子计算很难实现,除非有量子存储器将这些随机产生的量子态缓存并同步起来.在过去的十几年中,量子存储在各种各样的存储方案中得到了研究,而且已经从最初的原理性演示逐步发展到了如今的近乎可实用化.现如今,量子存储领域追求的是可实用化,而判断一个存储器是否可以实用化的基本标准是:高存储效率、低噪音、长寿命(或者大的时间带宽积)和室温条件下运行.通过介绍多个具有代表性的存储方案,本文给出了量子存储领域的研究现状和发展趋势.其中基于室温原子系综的宽带量子存储因其装置简单、实用性更强而广受关注.但是由于噪音问题,直到最近才在实验室中实现可工作在室温环境中的宽带FORD (far off-resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子存储和梯形量子存储.本文对多种存储方案的工作原理、优缺点进行了介绍,对FORD方案之所以能够成功进行了分析,还对量子存储的降噪方法进行了总结.     

稀土掺杂固态量子存储研究进展

量子存储对量子信息网络的实现至关重要,是当前量子信息领域的研究前沿和热点.在实现量子存储的多种媒质中,稀土掺杂固体材料由于具有较长的光学相干时间和较宽的光学吸收带宽而备受研究人员的关注.本文将系统地介绍稀土掺杂固态量子存储在材料体系、存储协议、应用范围等方面的重要进展,着重从物理机理、实验方法和新近成果等方面,阐述基于原子频梳协议的稀土掺杂固态量子存储方案,并对该方案的未来发展做简要展望.