物质波在原子波导中传输时的波导衔接激发

物质波在原子波导中的传播特性是原子光学的重要研究课题之一.在原子光学集成化的设计中，将会遇到物质波从一段波导向另一段不同波导内的传输问题.由于不同波导的物理参数在衔接处的跳变，原子波的传输特性将在波导衔接处产生改变.研究了原子波在两段波导管衔接处的模式激发以及与此相关的物理现象.根据薛定谔方程，利用波导本征模式展开理论，分析了物质波的反射和激发与波导管特征参数以及物质波入射动量之间的关系，并给出了抑制处于基态模的物质波向高阶模式激发的条件. 关键词： 原子光学 原子波导 激发 模式截止     

玻色-爱因斯坦凝聚体的相干寿命的光学操控及其应用

原子玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)所展现出的宏观量子相干性在非线性原子光学、集成原子光学,以及高精密原子测量仪器,比如原子干涉仪,原子陀螺仪,原子钟等方面有着潜在的应用.然而,当前实验室中所实现的玻色-爱因斯坦凝聚体由于存在环境及内禀消相干机制,如三体重组合碰撞等,其相干寿命仅仅在几秒到几分钟的范围.     

原子光学讲座 第三讲 非线性原子光学

随着玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的实现及其非线性效应研究的快速发展，原子光学的一门新兴分支学科——“非线性原子光学”已初步形成，并取得了一系列重大的实验进展．文章重点介绍了非线性原子光学的研究内容、实验结果及其最新进展，主要包括原子孤子、原子物质波中的四波混频、光速减慢与负群速现象、超流及涡流（vortex）、Josephson效应和物质波的相位相干放大等．     

光场诱导的原子激光的量子相干性

基于伞量子理论,分别研究了几种重要的光场作用下,从原子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)体耦合输出的原子激光的量子相干特性.结果表明,粒子数态光场诱导的原子激光总是反聚束的,相干态光场诱导的原子激光是任意阶相干的,而压缩相干态光场诱导的原子激光总是聚束的.表明用光场诱导产生的原子激光具有与初始光场完全相间的量子相干性质.     

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.     

原子光纤中物质波演化的唯象描述

近来,基于原子光学微结构制作技术的原子集成操作已经能在很高精度上捕陷与导引原子.最近,Luo等人在实验上实现了所谓的原子光纤技术(原子物质波沿着一个25微米长的螺旋型波导走完了完整的两圈路径).本文替该弯曲原子光纤中物质波的时间演化过程提供了一个唯象描述,主要讨论了三个相关问题:(i) 有效哈密顿量的构造;(ii)获得描述弯曲原子光纤中物质波的波函数;(iii)证明该物质波函数恰好是原子动量算符的本征态,表明该唯象模型是自洽的.我们认为本文的唯象模型对于所谓的"原子光学"的研究是有一定意义的.     

采用U-型载流导体的原子磁导引及其原子光学器件

本文提出了一种采用U型载流导体实现冷原子磁导引的新方案，计算了U型载流导体在空间产生的磁场分布。研究发现该方案不仅可用于弱场搜寻态原子的单通道磁导引，而且也可用于冷原子的双通道磁导引，甚至用于实现可控制的相干物质波(BEC)的单模双波导，从而为构建各种原子光学器件(如原子漏斗，原子分束器及原子干涉仪等)提供一种新的实验方案。此外，由U型载流导体构成的分束器不需要外加任何偏磁场，这给实验带了很大的方便。最后，采用Monte-Carlo模拟方法，就冷原子在U型载流导体分束器中的分束过程进行了动力学模拟，得到了分束器两个输出端的原子分布及其分束比与工作参数的依赖关系，为进一步的实验研究提供了理论依据。     

"量身定做"单光子波包:在量子网络中控制光子/自旋量子界面

文章简要地介绍了如何在量子网络中控制量子界面动力学以实现静态量子比特和动态量子比特的相互转换．具体言之，该界面由半导体量子点、固体光学微腔以及光学波导管构成，静态及动态比特分别为量子点中的电子自旋和波导管中的单光子波包所携带．界面动力学的控制则是基于对量子点、微腔和波导管耦合系统的量子电动力学的严格求解．据此可实现网络中两个远距离节点间的量子态传输、交换以及确定性的建立量子纠缠等量子操作．上述量子界面亦可用于任意指定波形的单光子源或者单光子探测装置。     

一维光晶格势中玻色凝聚气体干涉图样演化特性研究

陷俘在一维光晶格势中的玻色凝聚气体,将形成许多小的子凝聚原子云.将这些子凝聚原子云视作相干的物质波波源,求出其宏观波函数,然后对物质波干涉图样的演化特性,如粒子数密度、粒子流密度、干涉峰的运动速度以及宏观波函数的相位性质等进行研究,并讨论了当相邻子凝聚原子云间存在相对相位差时,对物质波干涉图样的影响.研究表明,物质波干涉峰是一个以一定速度运动的波包,其波长由德布如意关系式确定,波包的相位特点类似于平面波.     

冷原子穿越激光束的量子隧穿时间

原子通过激光冷却技术能够被制备在低温状态，这时冷原子云会展现出量子力学的波动性.研究了一束冷原子入射到一个蓝失谐的激光束上所表现出的量子力学隧穿效应.蓝失谐的激光束相对于冷原子而言等效于一个量子力学势垒.根据二能级模型，在理论上分析了具有内部结构的原子矢量物质波穿过激光束的量子力学反射与透射，特别是对原子穿越激光束所需的时间——量子隧穿时间进行了详细的研究.量子力学波动性使得冷原子穿越一个激光束时明显地展现出与经典粒子(热原子)不同的结果. 关键词： 冷原子 原子光学 量子隧穿     

半无限深势阱中自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体的量子反射与干涉

玻色-爱因斯坦凝聚体与势垒或势阱的量子反射及干涉是考察宏观物质波奇特物性的最有效途径之一.利用传播子方法和基于冷原子实验广泛采用的飞行时间吸收成像方案,研究自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体在半无限深势阱中的反射和干涉演化动力学,得到了自旋相关的凝聚体波函数的严格解析解.结果表明,当自旋相关光晶格关闭后,非局域于不同格点中相同自旋态的物质波在自由膨胀过程中发生量子干涉,形成了对比度明显的干涉条纹.与此同时,扩张的自旋相关物质波包与半无限深势阱壁相遇发生量子反射,反射波与入射波产生二重干涉,在密度分布两边对称的局部位置出现剧烈的振荡,干涉条纹表现出显著的调制效应.分析讨论了自旋态、相干输运距离和相对相位等因素对干涉条纹的影响.该研究有助于促进对自旋相关凝聚体宏观量子特性的认识,为深入检验自旋相关光晶格中凝聚体干涉的理论模型和物理机理提供依据和新方案.     

原子光学讲座第二讲量子原子光学

近年来,有关玻色一爱因斯坦凝聚（BEC）及其量子光学性质的理论与实验研究得到了飞速发展,并取得了一系列重大进展,从而形成了一门原子光学的新分支学科——“量子原子光学”．文章重点介绍了量子原子光学的研究内容、实验结果及其最新进展,主要包括BEC实验研究的重大进展、原子量子态的实验制备、原子激光的产生及其最新进展、BEC凝聚体或原子激光的相干性和费米原子气体的量子简并等．     

超冷原子光学与高精密原子测量仪

量子和原子光学是从传统光学中迅速发展起来的一门新的科学分支.通过对光的量子本质及其与原子相互作用过程的研究,该领域已逐步掌握了光与原子相互控制的技术.一些新的方向,比如量子测量与量子计算,激光冷却和操纵原子,超冷原子与玻色爱因斯坦凝聚等相继诞生.在这个报告中,我将对量子与原子光学当前国际发展动态以及我们近来的研究工作作一个详细的介绍.重点将包括该领域在以下几个方面的最新进展:     

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。     

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.     

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.     

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.     

原子光纤中物质波演化的唯象描述

最近,Luo等人在实验上实现了所谓的原子光纤技术(原子物质波沿着一个25μm长的螺旋型波导走完了完整的两圈路径)。本文替该弯曲原子光纤中物质波的时间演化量子力学过程提供了一个唯象描述,主要讨论了三个相关问题：(i)原子物质波与弯曲波导相互作用的有效哈密顿量的构造;(ii)获得描述弯曲原子光纤中物质波的波函数;(iii)证明该物质波波函数恰好是原子动量算符的本征态,表明该唯象描述是自洽的。我们认为本文的唯象模型对于所谓的“原子光学”(atom optics)的研究是有一定意义的。     

不同抗磁行为量子点发光在波导中的手性传输

近年来,为了实现可拓展的集成化量子网络,各种功能性量子器件的发展需求不断加深.集成了单量子点的条形波导可以作为单向传输的量子点光源,在单光子二极管、晶体管和确定性量子门等器件中具有广泛的应用.本文利用共聚焦显微系统,在4.2 K低温下,通过激发波导中心区域的量子点光源,实现了圆极化光的分离,并验证了波导中的自旋动量锁定效应.在实验中实现了具有反常抗磁行为的量子点荧光的手性传输,拓宽了波导单向传输的波长调控范围.在保证波导单向传输性的同时,实现了不同输出光子中心能量的正向、反向偏移.本文为研究宽波段范围的手性量子器件奠定了基础,拓展了波导在量子信息领域中的应用.