光学腔增强光与冷原子耦合及自旋波读出效率的实验研究

在87Rb冷原子系综中,通过自发拉曼散射过程产生了光子与原子自旋波的关联对.利用光学腔增强光与原子的相互作用,使光子和原子自旋波关联对的产生率增加了3.8倍.同时,我们也研究了光学腔对原子自旋波读出效率的影响.结果表明,腔使自旋波的读出效率提高了1.5倍.本文的研究结果为下一步产生高恢复效率的光与原子量子纠缠提供了实验...     

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.     

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.     

冷原子系综中偏振关联光子对的产生和测量

我们在~(87)Rb冷原子系综中进行了关联光子对的产生和测量。通过自发拉曼散射过程,产生了一个Stokes光子和一个原子自旋波激发。利用电磁感应透明效应将存储在原子系综中的自旋波转化为一个anti-Stokes光子。在两相互正交的偏振基下,测量了Stokes光子和anti-Stokes光子之间的交叉关联函数。实验结果表明,交叉关联函数g~(2)达到~75,表现了强的非经典关联。基于现场可编程门阵列(FPGA)的自编程的多通道符合器被用于光子脉冲信号的采集和逻辑处理,大大提高了偏振关联光子对的产生和测量速度,为以后量子中继技术中的高效信息处理提供了重要基础。     

非旋波近似下压缩真空场与三能级原子依赖强度耦合系统的光场压缩

利用全量子理论,研究了非旋波近似下压缩真空场与V型三能级原子依赖强度耦合相互作用系统中光场的压缩效应.数值计算结果表明:光场呈现出周期性压缩现象,而虚光子过程则对光场的压缩具有抑制作用并产生量子噪声,量子噪声大小依赖于光场的初始压缩因子r和光场频率ω,且与原子-光场耦合强度g有关.随着r的增大,虚光子过程对光场压缩抑制作用程度由弱到强再由强到弱;随着ω和g的增大,量子噪声分别减小和增大.     

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.     

位相损耗腔中简并双光子拉曼耦合系统中的熵特性

研究了简并双光子拉曼耦合过程中存在位相损耗时,光场原子系统线性熵、光场线性熵和原子线性熵的特性,讨论了原子相干性和光场平均光子数对各线性熵的影响.结果表明:由于位相损耗的存在使系统的线性熵除初始时刻为零外,其他时刻均大于零,且与原子初始状态无关,即原子相干性对系统线性熵没有影响.当原子初始处于激发态或基态时,原子线性熵呈现出较完美的周期性;而在原子初始处于激发态和基态的叠加态时,原子的线性熵始终为零.随光场平均光子数的增加,各线性熵均会增大. 关键词： 位相损耗 简并双光子拉曼耦合过程 线性熵     

二能级原子与多模光场简并多光子共振相互作用系统中量子保真度的演化特性

利用全量子理论和数值计算方法研究了多模相干态光场与单个二能级原子通过任意N_j度简并N~∑光子共振相互作用系统中量子保真度的时间演化特性,给出了三模场与原子相互作用过程中光场和原子保真度的数值计算结果,详细讨论了初始平均光子数、原子分布角、原子偶极相位角、光场激发角以及原子简并度等对量子保真度的影响.数值计算结果表明:以上诸多因素对量子保真度影响的结果均导致其发生振荡性变化.光场和原子保真度随着初始光场增强而急剧减小,说明初始光强敏感地影响着保真度的大小;量子保真度的变化快慢程度强烈地依赖于原子简并度及场一原子的耦合系数;原子分布角、光场激发角不同程度地对量子保真度的大小和频率有所影响;而原子偶极相位角的变化对场和原子的量子保真度几乎没有影响.根据这些特性,通过某些条件的约束可以适当控制保真度变化的快慢及其大小.     

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.     

非旋波近似下光场与V型三能级原子依赖强度耦合作用系统中的光场压缩

利用全量子理论,研究了非旋波近似下单模光场与V型三能级原子依赖强度耦合的相互作用系统中光场的压缩效应.结果表明:光场的压缩依赖于系统的本身性质,而虚光子过程使光场的压缩程度明显加强并产生量子噪声,其大小依赖于初始场平均光子数n和光场频率ω,且与原子光场耦合强度g有关.     

Cascade correlation-enhanced Raman scattering in atomic vapors

A new Raman process can be used to realize efficient Raman frequency conversion by coherent feedback at low light intensity [Chen B, Zhang K, Bian C L, Qiu C, Yuan C H, Chen L Q, Ou Z Y, and Zhang W P 2013 Opt. Express 21, 10490].We present a theoretical model to describe this enhanced Raman process, termed as cascade correlation-enhanced Raman scattering, which is a Raman process injected by a seeded light field. It is correlated with the initially prepared atomic spin excitation and driven by the quasi-standing-wave pump fields, and the processes are repeated until the Stokes intensities are saturated. Such an enhanced Raman scattering may find applications in quantum information, nonlinear optics, and optical metrology due to its simplicity.     

Observation of the Rabi oscillation of light driven by an atomic spin wave

Coherent conversion between a Raman pump field and its Stokes field is observed in a Raman process with a strong atomic spin wave initially prepared by another Raman process operated in the stimulated emission regime. The oscillatory behavior resembles the Rabi oscillation in atomic population in a two-level atomic system driven by a strong light field. The Rabi-like oscillation frequency is found to be related to the strength of the prebuilt atomic spin wave. High conversion efficiency of 40% from the Raman pump field to the Stokes field is recorded and it is independent of the input Raman pump field. This process can act as a photon frequency multiplexer and may find wide applications in quantum information science.     

Coherent atom interactions mediated by dark-state polaritons

We suggest a technique to induce effective, controllable interactions between atoms that is based on Raman scattering into an optical mode propagating with a slow group velocity. The resulting excitation corresponds to the creation of spin-flipped atomic pairs in a way that is analogous to correlated photon emission in optical parametric amplification. The technique can be used for fast generation of entangled atomic ensembles, spin squeezing, and applications in quantum information processing.     

Ξ型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体单模光场系统中双模原子激光的压缩性质

研究了Ξ型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体单模光场系统中双模原子激光的压缩性质.结果表明:双模原子激光能被周期性压缩,并且具有量子Rabi振荡和崩塌-回复现象两种形式的振荡.最大压缩深度和崩塌-回复振荡频率主要依赖于光场与原子间相互作用强度,量子Rabi振荡频率主要由光场圆频率决定.     

Quantum entanglement between the two-mode fields and atomic entropy squeezing in the system of a moving atom interacting with two-mode entangled coherent field

This paper investigates the entropy squeezing of a moving two-level atom interacting with the two-mode entangled coherent field via two-photon transition by using an entropic uncertainty relation and the degree of entanglement between the two-mode fields by using quantum relative entropy. The results obtained from numerical calculation indicate that the squeezed period, the duration of entropy squeezing and the maximal squeezing can be controlled by appropriately choosing the intensity of the light field, the atomic motion and the field-mode structure. The atomic motion leads to the periodic recovery of the initial maximal degree of entanglement between the two-mode fields. Moreover, there exists a corresponding relation between the time evolution properties of the atomic entropy squeezing and those of the entanglement between the two-mode fields.     

Entropy squeezing for a two-level atom in two-mode Raman coupled model with intrinsic decoherence

In this paper, we investigate the entropy squeezing for a two-level atom interacting with two quantized fields through Raman coupling. We obtain the dynamical evolution of the total system under the influence of intrinsic decoherence when the two quantized fields are prepared in a two-mode squeezing vacuum state initially. The effects of the field squeezing factor, the two-level atomic transition frequency, the second field frequency and the intrinsic decoherence on the entropy squeezing are discussed. Without intrinsic decoherence, the increase of field squeezing factor can break the entropy squeezing. The two-level atomic transition frequency changes only the period of oscillation but not the strength of entropy squeezing. The influence of the second field frequency is complicated. With the intrinsic decoherence taken into consideration, the results show that the stronger the intrinsic decoherence is, the more quickly the entropy squeezing will disappear. The increase of the atomic transition frequency can hasten the disappearance of entropy squeezing.     

三能级原子与奇偶纠缠相干光作用的光场压缩

采用求解薛定谔方程和数值计算方法,研究了V型三能级原子与双模奇偶纠缠相干光场相互作用过程中的光场压缩效应,讨论了压缩效应与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、系统失谐量、双模光场的平均光子数和原子基态概率幅的依赖关系。结果表明：光场压缩效应与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、失谐量、平均光子数和原子初态相关联：双模纠缠相干光场处于非纠缠状态时的光场压缩量比光场处于纠缠状态时要大;原子处在单纯的基态或激发态时光场都有明显的压缩现象出现;而原子初态中基态和激发态的概率幅较接近时无光场压缩现象;无论光场是否处于纠缠态,只有两模平均光子数接近时,光场才会出现压缩效应。     

双模纠缠相干场控制下的双光子过程中有效二能级原子的信息熵压缩

根据量子信息理论,研究了与双模纠缠相干场相互作用双光子过程中有效二能级原子的信息熵压缩。讨论了场的初态对信息熵压缩的因影响,并且比较了分别从基于信息熵测不准关系和海森堡测不准关系出发得出的结果。结果表明：信息熵压缩的稳定周期性、压缩方向分别由场的平均光子数和方向角控制. 在强场条件下, 场的纠缠度对信息熵压缩不产生影响。当原子反转为零时,基于海森堡测不准关系的方差压缩定义不再有效, 而信息熵压缩实现了对原子压缩效应的高灵敏量度.     

双模纠缠相干光场控制下双光子过程中有效二能级原子的信息熵压缩

根据量子信息理论,研究了与双模纠缠相干场相互作用双光子过程中有效二能级原子的信息熵压缩.讨论了场的初态对信息熵压缩的因影响,并且比较了分别从基于信息熵测不准关系和海森堡测不准关系出发得出的结果.结果表明:信息熵压缩的稳定周期性、压缩方向分别由场的平均光子数和方向角控制,场的纠缠度对信息熵压缩不产生影响.信息熵压缩实现了对原子压缩效应的高灵敏量度.     

双模SU(1,1)相干态光场与V型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚体相互作用系统的量子性质

研究了双模SU(1,1)相干态光场与V型三能级原子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)相互作用系统中光场的量子相关性质、振幅平方压缩效应和原子激光压缩效应。结果表明,双模SU(1,1)相干态光场各模的二阶相干度不随时间变化,光场各模光子是反聚束的,呈现非经典效应,光场两模相关性是非经典相关。光场具有周期性的振幅平方压缩效应,讨论了光场相关参数和原子相关参数对压缩深度、压缩频率的影响。双模原子激光不易压缩,压缩深度取决于光场初态。