腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控实验及其最新进展

本文综述了腔内单原子的激光冷却、囚禁与操控的基本原理、实验方案和结果及其最新进展,并介绍了腔内单原子激光操控实验的最新进展及其在腔内量子电动力学(腔内QED)效应、亚泊松光子统计、单原子激光、量子态制备、单光子源和量子信息处理等研究中的应用。     

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.     

耗散耦合腔阵列耦合量子化腔场驱动三能级体系中的单光子输运

基于准玻色方法,解析求解了环境作用下一维耦合腔阵列耦合一个量子化腔场驱动的级联能级原子系统中单光子输运的反射率、透射率和相应等效势的表达式,并详细讨论了耗散情况下控制参数对单光子输运的影响.研究结果表明:在实验范围内选择合适的参数时,原子耗散和腔场耗散都能使反射率峰值降低,但原子耗散影响反射率较大,同等参数取值条件下反射率峰值减小更为显著;更为重要的是对于在环境作用下的体系,通过调节原子和腔场之间的失谐以及驱动量子化腔场的光子数仍可使单光子接近达到全反射.     

基于微型光学偶极阱中单个铯原子俘获与操控的852 nm触发式单光子源

基于单原子操控的单光子源具有窄带宽、可与同类原子吸收线匹配、基本不受外界环境因素的影响等特点,在量子光学基本问题研究及量子信息处理等方面具有重要价值.本文研究了强聚焦1064 nm基模高斯光束形成的光学偶极阱中铯原子6S_(1/2)|F_g=4,mF=+4-6P_(3/2)|F_e=5,m_F=+5循环跃迁的光频移,并在实验上进行了测量.基于共振脉冲光激发俘获在远失谐微型光学偶极阱中的单个铯原子,实验演示了10 MHz重复频率的触发式852 nm单光子源.采用基于单光子探测器的Hanbry Brown-Twiss实验系统,对单光子源的二阶相干度进行了测量,零延时处符合计数值为0.09,实验显示单光子源呈现显著的光子反群聚特性.     

强耦合腔量子电动力学中单原子转移的实验及模拟

对于强耦合腔量子电动力学系统中以自由下落方式转移原子与腔模强耦合作用过程进行了实验研究,并在理论上利用蒙特卡罗方法对整个实验过程进行了模拟.根据模拟的高精度光学微腔实时记录的原子穿腔信号,获得了原子与腔模相互作用以及冷原子的参数等基本信息,包括不同初始条件下原子与腔模相互作用时腔的透射谱、单个原子在腔内的驻留时间、原子到达腔模时刻的概率分布以及原子到达腔模的动能分布等,并作为对比给出了相应的实验结果.基于模拟结果,实验上建立了腔内光学偶极阱来俘获单个原子,测量的单原子的腔内俘获寿命达到5 ms,比自由穿越时延长了约30倍.该研究对于原子-腔受限空间内,以自由下落方式转移原子以及原子与腔的耦合过程给出详细的分析,有助于对类似实验结果的分析和系统参数的优化.     

基于光子晶体腔链的量子态传输及相位门的实现

研究了光子晶体腔链中任意两奇数节点间量子态传输及相位门实现的问题。发现在绝热条件下,通过求解原子和光子晶体腔链耦合模型的暗态,可实现一维光子晶体耦合腔链中两个腔之间二维量子态的传输及可控相位门。在量子态传输的过程中若原子与腔的耦合强度足够大,腔的激发态的布居数小到可以被忽略。最后讨论了腔链的长度与相位门保真度的关系以及腔链的长度、初态的制备、腔的衰减、原子与腔的耦合强度对量子态传输保真度的影响。     

阶梯型三能级原子-腔耦合系统中Fock态的产生

探讨了阶梯形三能级原子 腔耦合系统中由绝热跟随技术引起的光子Fock态的产生 .结果发现 :对于单模腔QED系统 ,通过受激拉曼绝热跟随技术 ,在微波区域内可实现单光子Fock态的制备 ;对于双模腔QED系统 ,通过斯塔克移动的快绝热跟随技术可实现双光子对Fock态的产生.The behavior of an atom-cavity system using a three-level ladder atom was investigated. It is found that, for one-mode cavity QED, a single photon can be generated via the technique of stimulated Raman adiabatic passage; for two-mode cavity QED, a two-photon pair can be generated via Stark-shift rapid adiabatic passage.     

冷原子系综内单集体激发态的相干操纵

原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中,单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此,研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干,采用环形腔增强原子至光子的转化效率,发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术,利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠,利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外,简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.     

论Jsynes-Cummings模型中原子偶极压缩和光场压缩间的关联

通过考察单光子Jaynes-Cummings(J-C)模型和非简并双光子J-C模型中原子偶极压缩和光场压缩随时间演化的规律,研究了原子偶极压缩与光场压缩之间的关系,给出了处于偶极压缩状态的原子辐射压缩光的条件,并讨论了原子压缩分量与光场压缩分量之间相互转化的特征,指出了原子-光场间的双光子耦合系统比单光子耦合系统更有利于制备压缩程度深的压缩光.     

大失谐J-C模型中腔耗散对量子态保真度的影响

利用全量子理论研究了存在腔耗散的大失谐 Jaynes-Cumming(J-C) 模型中量子态保真度,讨论了初始平均光子数一定的情况下腔的耗散系数对量子态保真度的影响,以及当腔的耗散一定的情况下初始光场的平均光子数对量子态保真度的影响.结果表明:腔的耗散和光场的初始平均光子数对原子和原子---光场系统的保真度的影响都很明显.     

基于低Q腔光子Faraday旋转的远程态制备

基于低Q腔中单光子的输入与输出关系,提出了利用偏振光Faraday旋转分别遥远制备单原子态和两原子纠缠态的可行方案.研究结果表明,当初始原子态的系数为实数时,通过选择合适的偏振光、腔场与原子相互作用系统的参数,单原子态与两原子纠缠态的远程制备均可确定性地得以实现.与以前的原子态远程制备方案相比,本文方案采用光子作为飞行比特来传递量子信息,故原则上可实现原子态的真正长距离制备.由于原子态的信息编码在耗散单边腔囚禁的Λ型三能级原子的两个基态能级,且原子仅虚激发,因此本文方案对腔衰减和原子自发辐射不敏感.此外,本文所提出的两种方案不需要两体或多体正交测量,仅涉及单体直积态测量,而且两种方案都工作在低Q腔,不需要原子与光腔的强耦合,从而有效降低了实验难度.     

耦合腔阵列与Λ-型三能级原子非局域耦合系统中单光子的传输特性研究

讨论了理想和非理想情况下耦合腔阵列中两个最邻近的腔与Λ-型三能级原子非局域耦合系统中单光子的传输特性.运用准玻色子方法,精确地解出了开放系统中单光子的透射率.Λ-型三能级原子与耦合腔阵列非局域耦合系统具有更多的优点,如:该系统比其他系统调控光子传输特性的可调控参数更多;单光子在该系统中传输的透射谱有三个透射峰.此外,该系统还具有自身的特点,当拉比频率?取值给定之后,改变原子与其中一个腔的耦合强度时,光子的透射谱有一个透射率始终为1的定点,该点对应的光子频率为ω_c-?.在非理想情况下,系统耗散对光子的透射谱有着很大的影响.当只考虑原子耗散时,耗散使得光子透射谱的谷值增大,而峰值不变;当只考虑腔场耗散时,光子透射谱的峰值减小,而谷值不变.另外,随着腔场耗散率和腔的个数的增多,光子透射谱的峰值逐渐减小,但谷值始终不变.对比原子耗散和腔场耗散的情况可以发现,原子耗散使得光子不能被完全反射,而腔场耗散使得光子不能被完全透射.当同时考虑原子和腔场耗散时,光子透射谱谷值的大小不但会受原子耗散率大小的影响,也受腔场耗散率大小的影响,随着腔场耗散率的增大,谷值反而减小;而光子透射谱的峰值始终只受腔场耗散率大小和腔的个数的影响,与原子耗散率取值的大小无关.     

利用双光子过程实现量子信息转移

提出了一个利用耦合双原子同时与大失谐的双光子Jaynes-Cummings模相互作用实现量子信息转移的方案.通过控制原子与腔场的相互作用时间及量子位的旋转操作角,可以实现原子与原子之间及原子与腔场之间的量子信息转移,而包含在欲转移量子态上的信息可被完全擦除. 关键词： 二能级原子 双光子Janeys-Cummings 模型 量子信息转移 偶极-偶极相互作用     

含多个相干耦合人工原子的单模腔的输入输出特性

在以往的腔量子电动力学(QED)系统中原子气通常被处理成单个原子,从而得到诸如拉比劈裂、单光子阻塞等现象.受益于超导电路QED的发展,超导量子比特(SQUID)可以被看成人工原子,它们之间通过LC谐振子失谐的耦合会构成人工原子间的等效相干耦合.基于此,研究了具有相干耦合的多个人工原子对单模腔输入输出的影响,并从缀饰态的角度对透射谱进行了分析.结果发现包含多个相干耦合人工原子的单模腔,其透射谱与只含单个原子的腔显著不同,更重要的是透射峰的数目并不会随着人工原子数的增加而增加,最多只有3个透射峰.为了解释这种透射谱的规律,应用全量子理论,计算了整个系统在不含耗散时单能量子情况下的本征值和本征态.原则上,有几个粒子,就会形成几个缀饰态,理论上就会出现几个透射峰.然而本文发现存在一些不包含光子成分的缀饰态,它们并不贡献透射峰.而原子数增多后会出现透射峰劈裂,这对应着能级避免交叉现象,本文从缀饰态角度进行了说明.从这些缀饰态的具体形式上很多都具有多体纠缠的性质.因此采用这样一种包含多个相干耦合人工原子的单模腔,将有利于构建多体纠缠态,在未来也可以通过透射率的变化,探知腔内多体纠缠态的形式.     

不同光场二阶相干度的实验研究

基于Hanbury Brown-Twiss(HBT)实验,我们借助于两个单光子计数模块,一个50/50分束器和一个快速计数卡(FastCom-P7888)研究了不同光场的二阶相干度。我们首先制备了脉冲相干光,连续相干光以及单原子发出的单光子源,并测量这几种不同光场的二阶相干度g(2)(τ)。我们通过测量俘获在磁光阱(MOT)和远失谐偶极阱(FORT)中的单原子在近共振连续激光激发下所辐射的荧光的二阶相干度,分别得到了g(2)(τ=0)=0.08和g(2)(τ=0)=0.09,借助于实验中产生的脉冲光与单原子,接下来我们将进行触发式单光子源的实验研究。     

强耦合条件下内腔电磁诱导透明和正交模劈裂的研究

文章分析了Λ-型三能级原子与腔耦合系统在强耦合条件下,腔透射谱在随腔模失谐的变化情况。结果表明,改变腔模失谐不但对正交劈裂峰会产生频移,同时对内腔EIT峰也会产生频率推移,并且在单光子失谐时,推移程度也有所不同;当腔模失谐达到自由光谱区的一半时,内腔暗态极子模出现双峰结构。这一结果对研究基于原子腔系统的关联光场具有积极的意义。     

与纳米腔相耦合的一维波导中的单光子散射

我们研究了与包含三能级原子的纳米腔相耦合的一维耦合谐振器波导中的单光子散射,分别讨论了纳米腔与耦合谐振器波导局域和非局域的两种耦合方式.在局域耦合的情况下,不同偏振光子的透射及反射波谱关于共振点对称.而在非局域情况下,透射和反射系数中的对称性消失,峰和谷的位置向失谐较大处移动.耗散对单光子散射也会产生影响.     

基于和频与差频级联的全光单光子波长变换

基于周期极化铌酸锂波导,提出了一种采用和频产生与差频产生级联的全光单光子波长变换方案.在海森堡绘景下,通过非线性变换过程的哈密顿量求解了目标单光子信号的湮灭算子,进而根据变换前后的光子数算符之比得到了单光子波长变换的效率.分析了和频产生过程以及差频产生过程中单光子的转换效率与泵浦功率之间的关系,证明了存在最佳泵浦功率使得量子态能够完全转移.数值分析结果表明,当上变换(和频产生)泵浦光功率为65 mW、下变换(差频产生)泵浦光功率为150 mW时,由1550 nm到1530 nm的单光子波长变换可达到61％的转换效率.给出了级联单光子波长变换的实验装置,包括周期极化铌酸锂波导、泵浦激光、准单光子信号源、滤波等光学元器件、单光子探测器和同步线路.     

论Jaynes—Cummings模型中原子偶极压缩和光场压缩间的关联

通过考察单光子Ｊａｙｎｅｓ－Ｃｕｍｍｉｎｇｓ（Ｊ－Ｃ）模型和非简并双光子Ｊ－Ｃ模型中原子偶极压缩和光场压缩随时间演化的规律，研究了原子偶极压缩与光场压缩之间的关系，给出了处于偶极压缩状态的原子辐射压缩光的条件，并讨论了原子压缩分量与光场压缩分量之间相互转化的特征，指出了原子－光场间的双光子耦合系统比单光子耦合系统更有利于制备压缩程度深的压缩光。