多个量子节点确定性纠缠的建立

量子纠缠是一种重要的量子资源,在多个空间分离的量子存储器间建立确定性的量子纠缠,然后在用户控制的时刻将所存储的量子纠缠转移到量子信道中进行信息的分发和传送,这对于实现量子信息网络是至关重要的.本文介绍了用光学参量放大器制备与铷原子D1吸收线对应的非经典光场,而且在三个空间分离的原子系综中确定性量子纠缠的产生、存储和转移.利用电磁感应透明光和原子相互作用的原理,将制备的多组分光场纠缠态模式映射到三个远距离的原子系综以建立原子自旋波之间的纠缠.然后,存储在原子系综中的纠缠态通过三个量子通道,纠缠态的量子噪声被转移到三束空间分离的正交纠缠光场.三束释放的光场间纠缠的存在验证了该系统具有保持多组分纠缠的能力.这个方案实现了三个量子节点间的纠缠,并且可以直接扩展到具有更多节点的量子网络,为未来实现大型量子网络通信奠定了基础.     

冷原子系综中光纤腔增强且高保真度的光学存储

利用原子系综中的Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)过程可产生光与原子记忆(自旋波)量子纠缠,该纠缠可作为量子中继的重要元件.随着量子信息研究的深入发展,人们对量子信息存储其灵活多样性、可控性等方面提出更高的要求.本文在冷原子系综中演示了一种基于DLCZ过程的光纤腔增强且高保真度的光学存储方案,即将87Rb原子系综放于设计的光纤腔中,通过光纤腔增强“写出”和“读出”光子与原子系综的耦合实现自旋波量子信息的有效恢复,同时具有较高的保真度.观察到有腔且锁定的情况下斯托克斯光子产生概率比无腔时增加4.6倍,原子自旋波读出效率增加1.6倍,实验实现22%的读出效率并具有92%的量子态保真度,该读出效率对应一个40%的本质读出效率.这种高度可恢复、高量子态保真度的原子-光子纠缠源,可为未来长距离量子通信及广域大规模量子网络构建的实现提供另一种有效的途径.     

利用光子回声技术对光的相干态进行存储的研究

具备有效存储和读取光的相干态的能力是实现连续变量量子信息存储的关键。本文研究了利用混合光子回声技术对光场的相干态进行存储和读取。光量子态被记录在原子系综的基态的两个相干能级中从而实现长时间的量子态存储。考虑到由于原子退相干的噪声效应,我们发现在目前可实现的技术条件下存储保真度仍然高于保真度阈值2/3。我们的研究为实现高效准确的基于量子回声技术的光量子态存储提供了一些切实可行的实践指导。     

光学腔增强Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆读出效率的研究

量子中继是长距离纠缠分发的关键组成部分,而基于原子系综存储的读出效率是量子中继能否实用化的一个重要指标.本文利用冷原子系综中的自发拉曼散射过程产生Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆,在原子系综周围搭建环形腔,增强光与原子相互作用,从而提高读出效率,然而,腔内原子的能级分裂使量子记忆的读出效率降低.本文研究了读出效率随读光相对于原子共振线失谐量的变化关系.结果显示:当读光的失谐量为80 MHz时,本质读出效率为45%,这时腔对读出效率的增强倍数为1.68倍.     

利用自发拉曼散射建立三个原子节点的纠缠

量子纠缠是一种关键的量子资源.随着量子信息技术的发展,由量子通道和量子节点组成的量子网络成为研究的热点.量子信息网络的建立需要在多个远距离的量子节点间建立纠缠,它在分步式量子计算及量子因特网等方面有很重要的应用价值.本文在光和原子混合纠缠的基础上,提出了结合前馈网络建立三个独立的远程原子系综之间的连续变量确定性纠缠.三个原子系综分别放置在三个远程的节点中,每个节点首先通过自发拉曼散射过程制备光和原子的混合纠缠;然后,利用平衡零拍探测器测量三束Stokes光场干涉后的量子噪声,并将测量的结果前馈到原子系综,在三个独立的远距离的原子系综间建立纠缠;最后,利用来自三个原子系综的三束反斯托克斯光束的关联方差通过三组份不可分判据验证三个原子系综的纠缠.该方案简单可行,可以拓展到基于不同物理系统的量子节点,甚至实现更多原子节点的纠缠,从而实现大规模量子信息网络.     

基于碰撞感应激发产生的量子相干效应研究

近年来，量子相干在诸如高灵敏高精度激光光谱和新型量子频标、分子运动和物理化学反应的操控、原子分子激发态结构信息、量子态绝热布居转移、量子计算和量子信息处理等方面具有广泛的应用而受到人们的关注。基于量子干涉效应而产生的量子相干可分为频域和时域内的两种：频域内的量子相干来源于两个或多个同时的不同跃迁路径间的干涉，时域内的量子相干来源于两个或多个具有一定延时的同一跃迁路径间的干涉。本报告对以往较少涉及的原子及原子——分子混合体系中基于非相干碰撞而产生的频域和时域内多能级系统量子相干效应进行研究，并着重探索量子相干产生的条件及其对外界条件的依赖关系等。     

超级里德伯原子间的稳态关联集体激发与量子纠缠

处于同一偶极阻塞区域的里德伯原子系综可以看作一个超级原子,如果它们被捕获在两个不同的光偶极阱中,那么每一个光偶极阱中的子原子系综可以看作为一个亚超级原子.由于这两个亚超级原子共享不超过一个激发的里德伯原子,所以它们会强烈地关联起来.本文研究这两个里德伯亚超级原子的稳态关联集体激发特性和量子纠缠行为.结果表明原子数目带来的影响非常明显:里德伯亚超级原子越大(包含原子数目越多),集体激发概率越大;最大纠缠只发生在等大的两个里德伯亚超级原子之间.通过增加原子数目,可以实现介观领域的量子纠缠,对量子-经典对应的研究以及量子信息处理有着重要的作用.     

利用Ⅴ型三能级原子与相干态光场Raman相互作用传送未知奇偶相干态

描述了简并Ⅴ型三能级原子与单模相干态光场的Raman相互作用,获得了处于激发态单态的原子与相干态光场相互作用的结果.利用探测原子与光场的相互作用将原子和探测光场制备成最大纠缠态,并将原子注入待测任一奇偶相干叠加态,通过原子与待测腔模构成的Bell基矢演化,对原子进行选择性探测,获得奇偶相干叠加态与原子相互作用后可能的量子状态,然后对待测腔场与原子进行联合探测,接着对所测奇偶相干态腔场的量子状态实施么正变换,就将探测腔场制备到待测腔场的初始量子态上,从而实现未知奇偶相干态的隐形传送.     

在五能级三重∧型原子系综中利用暗态极化子理论制备W态(英文)

在由三个经典控制场驱动的五能级三重(?)型原子系综与三个多模量子光场相互作用的系统中,得到了该系统的极化子.利用求得的极化子结果研究了光量子态存储到原子激发态,或从原子系综中释放出光量子信息.在释放过程中,通过绝热调节控制场的Rabi频率,能得到纠缠光子态.尤其是在一定条件下,能利用该系统能制备一类W态,这类态在量子信息处理中有潜在的应用.     

超冷原子系综的非高斯纠缠态与精密测量

量子精密测量是基于量子力学的基本原理对特定物理量实施测量,并利用量子效应提高测量精度的交叉科学.随着超冷原子实验技术的发展,超冷原子为量子精密测量提供了一个优异的研究平台.利用发展成熟的量子调控技术,人们可以基于超冷原子系综制备一些新奇的非高斯多粒子纠缠态.基于多体量子干涉,利用这些非高斯纠缠态作为输入,可以实现超越标准量子极限的高精度测量.本文简要综述这一研究领域的进展.     

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.     

Quantum processing photonic states in optical lattices

The mapping of photonic states to collective excitations of atomic ensembles is a powerful tool which finds a useful application in the realization of quantum memories and quantum repeaters. In this work we show that cold atoms in optical lattices can be used to perform an entangling unitary operation on the transferred atomic excitations. After the release of the quantum atomic state, our protocol results in a deterministic two qubit gate for photons. The proposed scheme is feasible with current experimental techniques and robust against the dominant sources of noise.     

Dynamical symmetry and quantum information processing with electromagnetically induced transparency

We study in detail the interesting dynamical symmetry and its applications in general many-level and many-ensemble atomic systems with electromagnetically induced transparency (EIT). By discovering the symmetrical Lie group of various atomic systems, the novel applications to quantum memory and quantum entanglement between photons or atomic ensembles are investigated.     

Synchronized independent narrow-band single photons and efficient generation of photonic entanglement

We create independent, synchronized single-photon sources with built-in quantum memory based on two remote cold atomic ensembles. The synchronized single photons are used to demonstrate efficient generation of entanglement. The resulting entangled photon pairs violate a Bell's inequality by 5 standard deviations. Our synchronized single photons with their long coherence time of 25 ns and the efficient creation of entanglement serve as an ideal building block for scalable linear optical quantum information processing.     

Quantum telecommunication based on atomic cascade transitions

A quantum repeater at telecommunications wavelengths with long-lived atomic memory is proposed, and its critical elements are experimentally demonstrated using a cold atomic ensemble. Via atomic cascade emission, an entangled pair of 1.53 microm and 780 nm photons is generated. The former is ideal for long-distance quantum communication, and the latter is naturally suited for mapping to a long-lived atomic memory. Together with our previous demonstration of photonic-to-atomic qubit conversion, both of the essential elements for the proposed telecommunications quantum repeater have now been realized.     

Storage of multiple coherent microwave excitations in an electron spin ensemble

Strong coupling between a microwave photon and electron spins, which could enable a long-lived quantum memory element for superconducting qubits, is possible using a large ensemble of spins. This represents an inefficient use of resources unless multiple photons, or qubits, can be orthogonally stored and retrieved. Here we employ holographic techniques to realize a coherent memory using a pulsed magnetic field gradient and demonstrate the storage and retrieval of up to 100 weak 10?GHz coherent excitations in collective states of an electron spin ensemble. We further show that such collective excitations in the electron spin can then be stored in nuclear spin states, which offer coherence times in excess of seconds.     

原子系综中光学腔增强的Duan-Lukin-Cirac-Zoller写过程激发实验

原子系综中的Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)过程是产生光与原子(量子界面)量子关联和纠缠的重要手段.当一束写光与原子发生作用时,将会产生斯托克斯(Stokes)光子的自发拉曼散射,并同时产生一个自旋波(spin-wave)存储在原子系综中,上述过程即为DLCZ量子记忆产生过程.这一过程被广泛地研究.本文将87Rb原子系综放入驻波腔,并使Stokes光子与光学腔共振,我们观察到有腔且锁定的情况下Stokes光子产生概率比无腔时增大了8.7倍.在此条件下研究了Stokes光子产生概率和写光功率的关系,Stokes光子产生概率随写光功率线性增大.     

An efficient scheme for preparation of multipartite entanglement of atomic ensembles

We propose an efficient scheme to prepare multipartite entanglement of atomic ensembles trapped in separate cavities. Our scheme has high fidelity even with realistic noise based on the repeat-until-success strategy. By employing the quantum memory of the atomic internal state, the scaling efficiency decreases only with the number of atomic ensembles by a slow polynomial law. Moreover, the atomic ensembles also can function as quantum repeaters, which enable our system to compatible with the current experimental technique for quantum communication using atomic ensembles.     

Heralded entanglement between atomic ensembles: preparation, decoherence, and scaling

Heralded entanglement between collective excitations in two atomic ensembles is probabilistically generated, stored, and converted to single-photon fields. By way of the concurrence, quantitative characterizations are reported for the scaling behavior of entanglement with excitation probability and for the temporal dynamics of various correlations resulting in the decay of entanglement. A lower bound of the concurrence for the collective atomic state of 0.9+/-0.3 is inferred. The decay of entanglement as a function of storage time is also observed, and related to the local dynamics.     

Entangling many atomic ensembles through laser manipulation

We propose an experimentally feasible scheme to generate the Greenberger-Horne-Zeilinger-type of maximal entanglement between many atomic ensembles based on laser manipulation and single-photon detection. The scheme, with inherent fault tolerance to the dominant noise and efficient scaling of the efficiency with the number of ensembles, allows one to maximally entangle many atomic ensembles within the reach of current technology. Such a maximum entanglement of many ensembles has wide applications in the demonstration of quantum nonlocality, high-precision spectroscopy, and quantum information processing.