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.     

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.     

读出效率对光与原子纠缠产生的影响

在光与原子纠缠态产生中,自旋波读出效率是影响纠缠质量的一个重要因素.本文在实验和理论上研究了读出效率与纠缠质量(Bell参量)的关系.实验上利用~(87)Rb冷原子系综中的自发Raman散射过程产生了光与原子量子纠缠.通过改变读光功率或OD (光学厚度),实现了读出效率的变化.在此基础上,研究了光与原子纠缠质量(Bell参量)随读出效率变化的关系.该实验将为高保真度的光与原子纠缠产生提供帮助.     

基于电磁诱导透明的原子自旋波读出效率实验研究

光信息的存储与读出效率对量子信息领域有着重要的意义, 电磁诱导透明是最常用的方法. 本论文基于电磁诱导透明方法首次在热原子系综中实验研究了反 向和同向读取原子自旋波信息的回复效率, 并对实验结果进行了理论分析, 实验和理论的结果都表明同向和反向读出效率的高低取决于原子系综中原子自旋波的强度空间分布. 这一实验研究将会对热原子系综中的光与原子信号相互转换过程的应用有着一定的意义. 关键词： 电磁诱导透明 反向传播 原子系综     

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.     

冷原子系综的光学厚度对腔增强量子存储读出效率的影响

本文在⁸⁷Rb冷原子系综中开展了腔增强量子存储,研究了光学厚度对读出效率的影响。我们通过改变冷却光的失谐量得到了原子系综不同的Optical Depth(OD),测量了读出效率随着原子系综光学厚度的变化。结果显示：当冷却光处于负失谐18.5 MHz的情况时,可使冷原子系综的OD达到最大值14,读出效率的增强倍数为1.6倍,本质恢复效率最大可达43.2%。     

基于电磁诱导透明机制的压缩光场量子存储

光场的量子存储不仅是构建量子计算机的重要基础,而且是实现量子中继和远距离量子通信的核心部分.由于存在不可避免的光学损耗,光学参量放大器产生的压缩真空态光场将变为压缩热态光场,不再是最小不确定态.因此,压缩热态光场的量子存储是实现量子互联网的关键.在原子系综中利用电磁诱导透明机制能够实现量子态在光场正交分量和原子自旋波之间的相互映射,即受控量子存储.本文根据量子存储的保真度边界,研究了实现压缩热态光场量子存储的条件.量子存储的保真度边界是通过经典手段能够达到的最大保真度,当保真度大于该边界时,就实现了量子存储.通过数值计算分析了不同情况下压缩热态光场的量子存储保真度边界,以及存储保真度随存储效率的变化关系,得到了实现量子存储的条件,为连续变量量子存储实验设计提供了直接参考.     

利用原子系综中光存储读出信号对环境磁场补偿的方法研究

在光与原子纠缠量子界面的建立过程中,环境磁场带来的干扰不可忽视,因此需要对环境磁场进行严格补偿.在多能级结构的原子系综中,通过自发拉曼过程会产生多个原子自旋波,在外界磁场的干扰下,这些自旋波的读出效率会随着存储时间发生振荡.通过对环境磁场的补偿可以有效消除振荡,目前大量补偿磁场的工作依赖于高精度的磁场测量仪器,我们利用...     

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。     

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.     

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.     

在光腔中利用自然非均匀展宽的原子系综进行光量子态存储

在非对称的光腔中,我们提出了一个利用自然非均匀展宽的原子系综实现高效量子存储方案.在这个存储方案里我们使用了类似于传统光子回声技术中强π脉冲,而不是烧孔技术.这使得我们的方案可以在更多的材料体系中实现.在阻抗匹配的条件下,我们发现进入光腔的光脉冲可以完全被原子系综吸收.而且在光深度很小时,量子存储效率就可以达到1.     

基于增强拉曼散射的光子-原子双模压缩态的实现

拉曼散射过程中利用原子系综中初始制备的自旋激发(原子相干性),以及注入与原子系综中初始制备的自旋激发相关联的种子光场都可以极大的提高光场频率转换的效率,实现增强拉曼散射.本文理论上计算了增强拉曼散射过程中原子-光场量子界面的正交分量的量子起伏,得到了相干性导致的增强拉曼散射,只能在一定的范围内稍微提高初始光子-原子的压缩度;而关联增强拉曼散射,能够制备很强的光子-原子间的双模压缩.这样强压缩度的光子-原子量子界面,对于利用光场和原子系统实现量子精密测量研究有着非常重要的应用.     

读光强度对光与原子纠缠源读出效率及纠缠质量的影响

在~(87)Rb冷原子系综中,利用自发Raman散射过程,实现了光与原子的纠缠。测量了读光功率对光与原子纠缠质量以及读出效率的影响,结果显示:anti-Stokes光子恢复效率与Bell参数S值随着读光功率的增加均呈现先上升后下降的趋势;其中读光功率为5m W时anti-Stokes光子恢复效率达到17.8%,Bell参数S值达到2.5。我们选取读光功率3.5m W时测量了Bell参数S值随存储时间的变化,结果显示:存储时间为3μs时,Bell参数S值达到2.5;在存储时间为9μs的时候S参数的测量值仍然大于2,证明产生的光与原子的纠缠可以保持9μs以上。本文的研究结果为产生高质量的光与原子量子纠缠提供了实验基础。     

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。     

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.     

偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响

光子晶体微腔和量子点的集成是实现量子信息处理非常具有潜力的平台之一,利用微腔和量子点的耦合可以制备纠缠光子对,实现对量子态的操控.因为光子晶体微腔具有品质因子高、模场体积小等优点,可以极大地增强光与物质之间的相互作用,从而易于实现量子态在不同物理体系之间的转换.通过单量子点和光子晶体H1微腔的耦合可以产生纠缠光子对,因为H1微腔具有简并的、模式偏振正交的基态模式.通常微腔模式的激发随着量子点在微腔中的位置变化而改变,本文用时域有限差分方法研究了偶极子光源的位置及偏振对激发光子晶体H1微腔模式的影响.结果表明:通过改变偶极子光源位置可以选择性地激发H1微腔简并模式中的一个;具有某一偏振的偶极子光源只能激发相应偏振的微腔模式;模式激发强度的大小也是由偶极子光源在微腔中的位置决定的.鉴于目前量子点在微腔中的位置尚不能精确控制,所以微腔模式受激发光源位置的影响的研究具有重要意义.     

光子两自由度超并行量子计算与超纠缠态操控

光子系统在量子信息处理和传输过程中有非常重要的应用. 譬如, 利用光子与原子(或人工原子)之间的相互作用, 可以完成信息的安全传输、存储和快速的并行计算处理等任务. 光子系统具有多个自由度, 如极化、空间模式、轨道角动量、时间-能量、频率等自由度. 光子系统的多个自由度可以同时应用于量子信息处理过程. 超并行量子计算利用光子系统多个自由度的光量子态同时进行量子并行计算, 使量子计算具有更强的并行性, 且需要的量子资源少, 更能抵抗光子数损耗等噪声的影响. 多个自由度同时存在纠缠的光子系统量子态称为超纠缠态, 它能够提高量子通信的容量与安全性, 辅助完成一些重要的量子通信任务. 在本综述中, 我们简要介绍了光子系统两自由度量子态在量子信息中的一些新应用, 包括超并行量子计算、超纠缠态分析、超纠缠浓缩和纯化三个部分.     

利用脉冲延迟实现微波波导中量子态存储与异地按需读取

量子存储是实现长距离量子通信的关键步骤,也是量子信息处理的重要基础.在满足存储时间长、保真度高的基础上,实现量子态的异地按需读取对构建实用化量子网络有着重要意义.本文基于受激拉曼绝热路径(stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP)的方法,提出了通过设计可控脉冲延迟在一维微波波导中实现高保真度的量子态存储与异地按需读取的理论方案.该方案不仅可以根据需求在异地决定读出时间,且可以降低原始STIRAP方案所需的脉冲面积,降低能量消耗.数值计算的结果表明,该方案实现的保真度对波导中的平均热光子数及读出脉冲的持续时间均有较强的鲁棒性.