单原子冷却及光学操控的实验进展

文章综述了基于原子冷却与俘获的单原子制备及其光学操控的基本实验原理及实验进展,并介绍了单原子制备及光学操控在量子寄存器、单光子源、原子-光子纠缠等方面的应用,简述了文章作者所在研究小组在单原子制备和光学操控方面的实验进展.     

微型光学偶极阱中单原子相干操控Rabi振荡的实现及其应用

文章综述了Rabi振荡的基本原理以及微型光学偶极阱中单原子相干操控Rabi振荡的研究进展,同时介绍了其在单光子源、量子寄存器、量子计算等方面的应用,并简要介绍了作者所在小组在微型光学偶极阱中单原子操控方面的实验进展.     

两模腔中的参量上转换和下转换

提出了一种通过建立双线性二次哈密顿量在量子腔中实现参量上转换和下转换的方案.通常在非线性过程中,介质本身不参与能量的净交换,但光波频率可以发生转换的作用称为参量转换作用.此方案建立在一个四能级原子同时与两经典场和两量子场相互作用的基础上,理论属于非线性光学四波混频范畴.将原子制备在合适的能级上,经典光场与相应的能级发生共振,而同时量子光场与相应的能级产生大失谐相互作用,在强相互作用区域内,原子和腔场失耦合,进而实现腔模的参量转换.根据所制备初始能级的不同以及光场激发能级的差异,分别实现了参量上转换和参量下转换.在利用参量下转换制备压缩算符后,对实验的可行性进行了讨论,并且给出了理论值.结果表明：在级联三能原子中采用一个级联双光子过程代替了原来的两个偶极禁戒跃迁间的经典驱动,可以保证高的不同频率之间的转换效率,并且用于光的量子操控和量子信息处理.     

多能级原子的量子跳跃与连续量子测量

研究了多能级原子的量子跳跃行为,构造出多能级原子系统光学Block方程的形式解．证明了Mollow的纯态描述理论不适用于多能级原子,为此,发展了混合态描述理论,得出了多能级原子的重置密度矩阵为混合态的结论．最后,讨论了多能级原子的量子跳跃与连续量子测量的联系． 关键词：     

Tripod型双电磁诱导透明原子系统中压缩光的传输

采用海森堡-朗之万方法理论研究了Tripod型双电磁诱导透明原子系统中压缩态探针场的传输特性.研究结果表明:通过双透明窗口压缩光可实现双通道传输,且每个通道可以被独立操控;当两束耦合场的频率失谐相等时,输出探针场的压缩度可以得到更好的保持.此外,输出探针场的压缩度可以通过耦合场的拉比频率、原子的光学厚度和基态退相干率以及探测频率来操控.该研究结果为进一步优化多通道量子存储提供依据.     

Tripod型双电磁诱导透明原子系统中压缩光的传输（英文）

采用海森堡-朗之万方法理论研究了Tripod型双电磁诱导透明原子系统中压缩态探针场的传输特性.研究结果表明:通过双透明窗口压缩光可实现双通道传输,且每个通道可以被独立操控;当两束耦合场的频率失谐相等时,输出探针场的压缩度可以得到更好的保持.此外,输出探针场的压缩度可以通过耦合场的拉比频率、原子的光学厚度和基态退相干率以及探测频率来操控.该研究结果为进一步优化多通道量子存储提供依据.     

光学腔与原子强耦合的实验研究进展

光学腔与原子强耦合系统是量子物理研究的基本系统,不但具有重要的物理意义,而且为量子信息、量子计算和量子精密测量中关键技术的产生和关键器件的研发提供了理想系统。强耦合腔与原子相互作用实验从20世纪90年代开始发展,经过多年的研究,在单原子与光学腔强耦合和原子系综与光学腔的耦合研究方面取得了重大进展。随着多原子阵列量子操控技术的进步,可控的多原子阵列与光学微腔强耦合系统近年来成为腔量子电动力学的重要研究方向。然而,目前实现确定性可控的多原子阵列与腔的强耦合仍面临巨大的技术挑战,可控原子数还停留在两个。简要回顾了近年来光频区强耦合腔量子电动力学系统在上述方面的主要实验进展和相应的实验方案,并展望了未来的发展。     

光学-射频场双驱动原子系统中的透明与吸收特性的调控

光与物质的相互作用可以产生许多奇特的量子光学现象,电磁诱导透明和电磁诱导吸收是其中最典型的现象.本文在通常的Λ型三能级系统中引入射频场作用于激发态的精细结构能级之间,组成光学-射频双驱动场共同激发原子的相干跃迁,使系统的吸收特性出现电磁诱导透明和电磁诱导吸收两种量子相干效应.通过讨论双驱动场开启后直到系统达到稳定的量子相干过程,分析电磁诱导透明和电磁诱导吸收随时间的产生和转化,得到两种量子相干现象之间的关联性及对其进行量子调控的方法.     

由相干制备原子系统构成的理想光学介质

电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)发生时所伴随的效应(如可控的线性吸收和色散,可控的非线性增强)是理想光学介质所必需的重要特性。通过理解这种相干制备的多能级原子系统的线性和非线性特征,人们能够更好地设计和利用这种新颖的光学介质,并将其应用到光通信和量子信息处理中。文章简单介绍了与EIT有关的原子介质的基本(线性和非线性)光学特性,并简单评价了几个令人感兴趣的应用。     

金刚石氮空位中心自旋量子调控

量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果;重点讨论1)如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控,2)金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段,3)自旋态相干操控技术在量子传感中的应用;最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.     

X射线透明

通常气体原子吸收一定频率的光，这种频率对应于气体原子中两个量子能级之间的能量差。但是如果存在第三个能级，则可能产生所谓电磁诱发透明的量子现象。为产生这种现象，用一束激光作为抽运束，造成第二个与第三个能级的相干叠加，成为所谓的“缀饰态”。如果调谐得适当，由第一态到两个缀饰态的跃迁发生相消干涉。     

原子类原子系统光学特性的量子相干调控应用基础研究

简要介绍了在原子类原子小量子系统光学特性的量子相干调控应用基础研究方面所取得的一些成果,主要包括周期调制场控制弱光孤子传输、光学腔超窄线宽输出、非对称双量子阱中光学前驱波的分离以及极性分子系统中的电磁诱导透明现象等.     

内腔多原子直接俘获的强耦合腔量子力学系统的构建

腔内中性原子的长时间控制与俘获一直是腔量子电动力学(QED)中的一个难题,极大地制约了人们相干操控单原子及其与光相互作用的研究.基于传统Fabry-Perot光学腔,设计了一套易于内腔原子操控的强耦合腔QED系统,其典型参数为:腔长3.5 mm精细度约为57000,(g0,κ,γ)=2π×(1.48,0.375,2.61)MHz,临界光子数和原子数分别为1.54和0.89.该系统的特点是:能够在腔内直接实现冷原子磁光阱,并建立腔内光学晶格,实现腔内可控数目的中性原子的长时间俘获.通过合理选择构建光学偶极阱和原子成像系统,可实现对腔内单个原子或原子阵列的操控、探测、成像等.该系统可以克服传统腔QED系统中转移原子的困难,大幅增加腔内原子的寿命,为构建以腔QED系统为基础的量子信息演示平台提供了一种可能.     

采用强聚焦光学系统实现原子操控的一种方案

采用光学手段操控原子是研究原子之间纠缠、控制其相互作用的重要途径,也是量子信息研究中的重要课题.本文基于目前的实验系统,提出了利用由三组驻波场组成的强聚焦光学系统产生间距可控的光学晶格,并在此基础上实现多光学偶极阱的一种方案.我们系统地讨论了两驻波场与第三驻波场的夹角和相对位相对光学阱分布的影响,指出在此基础上可以在一定程度上通过微光学阱实现单个原子的操控并实现偶极阱间距的可控调节.该结果对研究光学晶格中的BEC之间的作用、原子干涉以及原子之间偶极一偶极作用等具有重要意义.     

基于超导量子比特的电磁感应透明研究进展

超导量子计算是目前被认为最有希望实现量子计算机的方案之一. 超导量子比特是超导量子计算的核心部件. 如何尽可能的增加超导量子比特的退相干时间, 大规模的集成超导量子比特已成为超导量子计算研究的主要方向. 超导量子比特作为宏观的人工原子, 有许多量子光学现象都能够在其中观测到. 利用超导量子比特实现电磁感应透明为研究超导量子比特的退相干机理提供了新手段, 为研究非线性光学、光存储、光的超慢速传输等量子光学效应开辟了新思路. 本文介绍了电磁感应透明的理论基础, 总结了目前针对超导量子比特的电磁感应透明研究进展, 对比了一般气体原子与超导量子比特的电磁感应透明区别, 并对超导量子比特实现电磁感应透明的潜在应用进行了总结和展望.     

原子分子光子系统的耗散相互作用和退相干

原子分子系统与量子化的电磁场或光子模式耦合的系统是非相对论量子力学理论研究和实验研究的主要对象和模型. 现实系统必然与外界环境耦合，且即便原子隔绝较好、光学腔壁品质因子足够高，原子系统也不等价于少数几个能级构成的简单模型：它仍然有不为零的几率跃迁到不可控的能级空间、与原子相互作用的自由空间真空场的量子效应也必须考虑. 本文将结合开放量子系统理论的基本要素与原子光子的基本模型，对原子分子系统在电磁场中发生的耗散以及量子退相干过程做简单综述，并重点介绍描述量子系统退相干过程的主流理论工具——主方程.     

V型原子系统中相干布居俘获的相干相位调制研究

在延迟脉冲激光场作用下的V型原子系统中，实现了对相干布居俘获，电磁感应透明的相干相位调制，选择适当的能级其调制频率可以达到飞秒量级.利用数值和解析分析得到了延迟脉冲和叠加态粒子数布居的关系，以及粒子布居受光场相位调制的特点和变化规律.利用这种机理可以实现飞秒量级的量子开关作用. 关键词： 相干相位调制 相干布居俘获 电磁感应透明 量子开关     

金刚石氮-空位色心单电子自旋的电场驱动相干控制

金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势,在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力,其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键.NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场来驱动和操控NV色心电子自旋.本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究.通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在|ms=-1>与|ms=+1>两个△ms=±2的磁禁戒能级间的跃迁,并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象.进一步的研究表明,电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控,与驱动电场的共振频率无直接关系.将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合,能够实现对NV色心3个自旋能级间直接跃迁的全操控.自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展.     

单量子点的发光与应用EI北大核心CSCD

由于量子限制效应,自组装半导体单量子点具有类似于原子的分立能级,可实现高不可分辨、高亮度和高纯度的单光子发射,其多种激子态能够产生不同偏振模式的光子。而光学微纳结构是调控量子点发光性质的有效手段,当单个量子点与光学微腔发生弱耦合时,Purcell效应将大大提高量子点作为单光子源或纠缠光子对源的性能。同时,量子点与光学微腔的强耦合系统可以作为量子光学网络中的量子节点,以及用于研究单光子水平的光学非线性效应。利用量子点与光学波导的耦合可实现固态量子比特和飞行光子比特的相干转换,以及高效的信息处理与传输,由此构建可靠的片上光学网络。此外,单量子点还具有可操控的自旋态,可作为量子比特的载体。考虑到量子点器件的制备过程易与成熟的半导体技术相结合,基于量子点的器件设计具有良好的可扩展性和集成化潜力。     

两模腔中的参量上转换和下转换

提出了一种通过建立双线性二次哈密顿量在量子腔中实现参量上转换和下转换的方案.通常在非线性过程中,介质本身不参与能量的净交换,但光波频率可以发生转换的作用称为参量转换作用.此方案建立在一个四能级原子同时与两经典场和两量子场相互作用的基础上,理论属于非线性光学四波混频范畴.将原子制备在合适的能级上,经典光场与相应的能级发生...