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...     

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%。     

耗散腔中两二能级原子态的量子信息保真度

在能量耗散腔中,原子用泡利算符描述,光场用相干态描述,运用密度矩阵理论,得到了两二能级原子密度矩阵元的演化规律,针对不同的初态,分析与单模辐射场作用过程中原子态的量子信息保真度.结果表明:当两原子初始处于不同的量子态时,量子信息在传输过程中可能不失真或部分失真,也可能出现周期性演化;在输出态和输入态具有相同的纠缠度时,量子信息可能不失真,也可能完全失真.     

好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度

考虑原子间偶极相互作用,求出好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度.结果表明,对于理想腔,若原子初始时刻处于相干保持态,系统保真度始终等于1;若原子初始时刻处于其余Bell态之一.腔场初态的平均光子数很小,系统保真度在0～1之间作周期性振荡,随着腔场初态的平均光子数的增加,系统保真度的振荡频率增大,振幅减小.对于好腔,若原子初始时刻处于相干保持态,系统保真度呈指数单调衰减;若原子初始时刻处于其余Bell态之一,系统保真度呈指数振荡衰减,且随着腔场初态的平均光子数的增加,系统保真度的振荡频率增大,振幅减小.     

85Rb热原子系综中Raman相干存储的实验研究

报道了我们在85Rb热原子系统中利用远离共振的Raman动力学过程实现相干光信号存储与释放的实验研究.铷原子室采用μ-metal包裹消除环境磁场的影响,在双光子共振和单光子远失谐的条件下,我们测量了存储效率随存储时间及单光子失谐量的变化关系,得到的最高存储效率为23.5％,寿命约为3.4μs.     

好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度

考虑原子间偶极相互作用,求出好腔中的Bell态原子与纠缠相干态光场相互作用系统的保真度。结果表明,对于理想腔,若原子初始时刻处于相干保持态,系统保真度始终等于1;若原子初始时刻处于其余Bell态之一,腔场初态的平均光子数很小,系统保真度在0～1之间作周期性振荡,随着腔场初态的平均光子数的增加,系统保真度的振荡频率增大,振幅减小。对于好腔,若原子初始时刻处于相干保持态,系统保真度呈指数单调衰减;若原子初始时刻处于其余Bell态之一,系统保真度呈指数振荡衰减,且随着腔场初态的平均光子数的增加,系统保真度的振荡频率增大,振幅减小。     

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.     

大失谐腔QED中任意初态双原子系统的量子信息保真度

运用全量子理论研究了大失谐腔QED中任意初态(纯态和混合态)两全同二能级原子的量子信息保真度.讨论了系统初态和原子耦合程度对量子信息保真度的影响;揭示了保真度演化的物理实质.结果表明,系统的保真度呈周期性演化,保真度演化的振幅的受原子混合度的调制,演化周期受原子耦合系数的控制.恰当选取两原子的初态、控制好相互作用时间,可以获得系统量子信息的高保真输出,产生在量子信息处理中有广泛应用的周期量子回声.     

光学反馈腔增强吸收光谱技术中干涉抑制方法

提出了一种降低光学反馈腔增强吸收光谱(optical feedback-cavity enhanced absorption spectroscopy,OF-CEAS)系统中干涉噪声影响的干涉抑制方法.使用Ariy函数分析了透射腔模信号中存在的干涉噪声,研究发现该系统中的干涉信号源自于光束在前腔镜内的多次反射,并通过更换3种厚度不同的平面反射镜进行验证.提出利用Ariy函数拟合得到的干涉信号作为无吸收情况下的背景信号,与测量气体的吸收信号相减直接获得无背景吸收光谱信号.该方法有效避免了OF-CEAS系统中,由于环境因素导致腔体稳定性改变等原因造成的测量误差.最后,基于该方法测量了1.53μm附近的乙炔气体吸收特性,评估系统的探测灵敏度为7.143×10^–8 (1σ),实验表明该方法在提高OF-CEAS系统的探测灵敏度方面有着很大的应用前景.     

冷原子系综中光存储效率与耦合光强的关系研究

我们在87Rb冷原子团中利用电磁感应透明(EIT)动力学过程实现了光学信号的存储与释放,研究了光存储效率与耦合光强的关系.实验结果表明,在较低的耦合光强下,存储效率随耦合光强增大而增大,当耦合光达到一定强度时,存储效率不再增高,然后随着耦合光强增大而降低.通过分析光脉冲在冷原子团中传播时的吸收和色散特性,我们对存储效率随耦合光强的变化趋势给出了定性解释.     

耗散腔中两二能级原子态的量子信息保真度

在能量耗散腔中,原子用泡利算符描述,光场用相干态描述,运用密度矩阵理论,得到了两二能级原子密度矩阵元的演化规律,针对不同的初态,分析与单模辐射场作用过程中原子态的量子信息保真度.结果表明:当两原子初始处于不同的量子态时,量子信息在传输过程中可能不失真或部分失真,也可能出现周期性演化;在输出态和输入态具有相同的纠缠度时,量子信息可能不失真,也可能完全失真.     

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.     

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...     

光纤耦合双光学腔系统的相干动力学

为了研究量子相干性在腔量子电动力学系统中的动力学和分布特性,基于两个各自捕获原子系综的光学腔建立了双光学腔系统,腔与腔之间由光纤耦合.利用相对熵度量的量子相干性,引入量子相干非平衡性的概念,分析了系统中相干动力学和光纤-腔耦合强度对相干性分布的影响.结果表明:在强耦合极限下,光纤-腔耦合强度的增加有利于保持两腔中的原子的整体相干性;光纤-腔耦合强度、原子-腔耦合强度以及原子数三个参数之间满足特定条件时,腔内的原子相干性可以传输至另一个腔.考虑腔、光纤及原子都存在耗散的情形,对比了不同耗散速率和非耗散情形下的相干性演化,发现耗散使得耦合双腔系统的相干性以及各个腔中的原子相干性发生衰减.     

热辐射中存在偶极相互作用的原子量子态保真度研究

建立了两个两能级原子置于热辐射场环境中的模型,当计及原子偶极间的相互作用时,利用密度矩阵方法,得到两能级原子密度矩阵元随时间的演化规律.针对三种不同的初始状态,分析置于强热辐射场中原子量子态保真度.结果表明:两个原子初始处于不同量子叠加态,量子信息在传输过程中可能发生部分失真,也可能不失真.初始状态对量子信息失真的快慢程度有明显的影响.     

基于腔增强的磁光旋转铯原子磁强计

谐振腔通过增加光与原子相互作用的长度而增大探测光偏转角,大大增强了原子磁强计的灵敏度。我们基于磁光旋转的铯原子磁强计,在理论与实验上研究了磁场测量灵敏度的腔增强因子与腔镜反射率的关系,得到在一定原子气室损耗条件下获得最优磁测灵敏度的最佳腔镜反射率。利用平凹驻波腔,在特定的腔镜反射率,原子气室对光功率的损耗分别为9.5%和8.5%,对应的腔逃逸效率为38%和41%,腔对磁场灵敏度的增强因子为4.4和5.1;在保持光与原子相互作用强度的情况下,随着原子气室对光场损耗的降低,磁场灵敏度进一步增强,腔增强效果更显著。     

利用腔内四能级原子相干效应实现全光学信号存储

在光学腔与四能级原子组成的非线性光学双稳系统中，利用调谐于不同能级附近的控制信号光脉冲可以使光学腔模产生“IT”或“负”的非线性相移，从而实现了光学双稳迟滞曲线的受控移动及双稳“高态”与“低态”之间的可控跃变，基于上述效应，完成了光学信号的全光存储与腔输出状态的低功率控制开关．这一结果为全光及量子信息处理提供了新的可供利用的物理机制．     

高Q腔中光场在规则注入双光子跃迁原子情况下的压缩

规则注入原子一种消除抽运噪声的重要方法，本文应用Ｇｏｌｕｂｅｖ－Ｓｏｋｏｌｏｖ主方程和生成函数方法来研究高Ｑ腔中相干光场的规则注入“双光子跃迁”原子情况下所产生的振幅压缩和横向正交分量的压缩，推导出光子数方差和横向正交分量方差随时间的变化的解析公式，及稳恒时输出交子流的功率谱，得到了一些有趣的新结果。     

耗散系统中实现原子态量子隐形传态的保真度

本文运用全量子理论并结合数值计算方法,研究了压缩真空库中利用原子纠缠态作为量子通道实现原子态量子隐形传态的保真度,讨论了被传送的原子初态形式以及压缩库的压缩参数r对保真度的影响.研究表明:当只有输入态受噪声影响,则被传送的初始态中基态概率越大的态,保真度越高;而当量子通道受影响时,则基态和激发态概率相等的原子叠加态传送的保真度最大. 关键词： 量子隐形传态 压缩真空库 保真度     

原子-腔-光纤复合系统中的纠缠特性

采用Negativity熵来描述两子系统间的纠缠,研究了由两个二能级原子与光纤联接的单模腔构成的系统的纠缠特性.利用数值计算方法讨论了原子与腔场的耦合强度和原子选择性测量对纠缠特性的影响.研究结果表明:对一个原子的选择性测量,可增强原子间与腔场间和腔场与腔场间的纠缠.