非简并双光子Jaynes-Cummings模型腔场谱中的量子干涉

研究了两模二项式光场与二能级原子在高Q腔中发生双光子相互作用过程的腔场谱,给出了弱初始场条件下腔场谱的数值计算结果,讨论了两模腔场谱间的量子干涉.结果表明:两模腔场谱间的量子干涉随着频差的增大而呈现出周期性的衰减振荡,其振荡周期约为0·16g(g为原子与光场的相互作用强度系数),频差大于1·6g时干涉效应已经很弱.量子干涉还与初始场强度有关,随着初始场最大光子数的增加,量子干涉效应逐渐增强,但当光子数大于4时,干涉效应迅速减弱,当最大光子数大于6时,量子干涉现象几乎消失.     

光学腔与原子强耦合的实验研究进展

光学腔与原子强耦合系统是量子物理研究的基本系统,不但具有重要的物理意义,而且为量子信息、量子计算和量子精密测量中关键技术的产生和关键器件的研发提供了理想系统。强耦合腔与原子相互作用实验从20世纪90年代开始发展,经过多年的研究,在单原子与光学腔强耦合和原子系综与光学腔的耦合研究方面取得了重大进展。随着多原子阵列量子操控技术的进步,可控的多原子阵列与光学微腔强耦合系统近年来成为腔量子电动力学的重要研究方向。然而,目前实现确定性可控的多原子阵列与腔的强耦合仍面临巨大的技术挑战,可控原子数还停留在两个。简要回顾了近年来光频区强耦合腔量子电动力学系统在上述方面的主要实验进展和相应的实验方案,并展望了未来的发展。     

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。     

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.     

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.     

二能级原子与高品质因子腔的自发辐射特性

用全量子理论研究二能级原子单模腔耦合系统,通过理论推导和数值计算得出系统的自发辐射光谱和平均粒子数密度.共振时腔与原子的发射光谱在强耦合与弱耦合区域有所不同,腔发射光谱分裂只出现于强耦合区域,而原子发射光谱由于腔感应透明效应在弱耦合区域出现了缺口.本文系统地研究了原子与腔在失谐时的发射光谱,在好腔机理(腔线宽小于原子线宽g)原子与腔即使在大失谐时腔发射出腔频率的光子,这给当前实验上困惑的特性提供了一个理论依据.为了给腔感应透明效应一个新的深入了解,还研究了原子与腔平均粒子数密度随时间的演化,以及平均粒子数密度与光强度之间的关系. 关键词： 自发辐射 强耦合 腔感应透明 好腔机理     

两模腔场谱间的量子干涉

研究了高Q腔中单个二能级原子与两模二项式光场依赖强度耦合相互作用系统的腔场谱,给出了弱初始场条件下的数值结果,讨论了两模光场之间的量子干涉对腔场谱结构的影响. 发现当两模光场的频率差Δ>g（g为原子与腔场间的耦合常数）时,两模光场间的干涉效应对谱结构没有影响,系统的腔肠谱只是两模腔肠谱的简单叠加;当Δ≤g时两模腔场谱间的干涉比较明显. 在强初始场条件下,量子干涉效应可忽略. 关键词： 腔场谱 量子干涉 两模二项式光场     

三模腔-原子闭环系统中可控的量子干涉和光子传输

通过构造一个由相互垂直的两腔和一个二能级原子组成的光学腔-原子系统,研究可控的量子干涉引起的非传统光子传输现象.该系统中,两个正交腔之间通过光纤直接耦合和通过放在两腔交叉处的二能级原子间接耦合.该三模系统支持两个相互垂直的传播方向,即两探测场相互垂直.在考虑原子弛豫速率的情况下,该闭环系统中的光场、腔模与原子跃迁间相互作用所产生的可控量子干涉能导致一些新的对称或非对称的光子输运行为,如相干完美合成、相干完美透明.此外,输运的群速度也可调节,即产生快慢光效应.这些过程能够通过调节探测场间相对相位、两腔之间的隧穿耦合强度进行动态调控.该机制有望用于开发高效的量子信息处理和全光网络的功能元器件(如光开关和路由器等).     

耦合原子与腔场多光子相互作用过程中的量子信息传递

建立了"多耦合原子--腔"系统的多光子相互作用模型. 利用腔量子电动力学理论, 研究了原子与腔场相互作用过程中量子信息传递的特性, 分析了原子间耦合作用对量子信息传递的影响. 结果表明: 在一定的相互作用时间内, 量子信息可以在腔场与原子间可逆传递或保持, 原子间的偶极作用导致量子纠缠信息非完全传递和非完全保持.     

高Q Kerr介质腔中二项式光场与原子相互作用

应用全量子理论研究了在高Q Kerr介质腔中, 二能级原子与二项式光场相互作用系统中原子行为和光场的量子特性. 采用数值计算的方法, 详细讨论了光场参量和Kerr效应对原子布居反转和平均光子数的影响.研究发现当二项式光场处在中间态时, 在考虑Kerr效应的条件下,原子布居振荡加剧, 回复时间变短, 系统内平均光子数减少.     

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10⁷以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.     

基于腔衰减的未知原子纠缠态的浓缩方案

基于具有两个近似简并基态(|g〉,|e〉)和一个激发态(|r〉)的三能级原子的两基态为静态量子比特,光子数态为飞行量子比特.两对非最大原子纠缠对中各有一个原子被分别囚禁在两个泄露腔中,在大失谐极限和激发态自发辐射系数γ远小于失谐量Δ的情况下,利用经典激光脉冲激发和与量子化腔场耦合作用后,通过对从腔中泄露出来的光子进行探测,可以将两对未知非最大原子纠缠态以一定的概率浓缩成最大纠缠态.充分考虑并且利用了腔的衰减,增强了实验的可行性和进行远距离的纠缠态浓缩的实现.     

量子微腔中原子大质心动量转移问题

讨论了双模量子环形微腔中二能级原子与腔场相互作用的动力学问题,分析了量子微腔的双模腔场和原子质心交换动量的过程。通过控制双模光场的光子数,得到了原子质心运动可同时吸收或发射多个光子的结论,从而可以实现较大的原子质心动量转移过程,使原子分束效应更为显著。     

相干耦合腔场中量子纠缠信息交换传递机理研究

提出了相干多模腔场-相干耦合原子相互作用系统的物理模型.利用全量子理论,研究了该系统中多光子相互作用过程的演化性质,结果表明：在多模腔场与相干耦合多原子相互作用过程中,多光子纠缠态与多原子纠缠态可以周期性的相互转换,在此过程中,同时可以实现纠缠信息的交换传递.通过对原子保真度的数值计算,给出了纠缠信息交换传递的图示说明.并进一步揭示出纠缠信息交换传递的一般特征.目前所报道的研究结果仅是本文所得普遍性结果在各种不同情况下的特例.     

双模腔场与一个V型三能级原子共振相互作用的量子统计性质

采用全量子理论和数值计算方法,研究了初始处于相干态的双模腔场与一个V型三能级原子共振相互作用的量子统计性质,讨论了在没有对原子进行态选择性测量、直接对原子进行态选择性测量和应用经典微波场并对原子进行态选择性测量的三种情况下,腔模平均光子数、耦合系数及相互作用时间对亚泊松统计、模间相干性、光子聚束反聚束效应和违背Cauchy-Schwarz不等式的影响。结果表明:对原子进行态选择性测量后,亚泊松统计特性明显地增强、模间反相关性明显地减弱、Cauchy-Schwarz不等式总是被违背;两个腔模平均光子数差比较大时,对原子进行态选择性测量后,a模腔场总是呈现反聚束效应。     

基于双矩形腔边耦合波导的等离子体诱导透明效应

为了降低功耗、实现超快速响应,设计了一种基于双矩形腔边耦合等离子体波导系统,并研究了其等离子体诱导透明效应.采用光学Kerr效应超快调控石墨烯-Ag复合材料波导结构,实现1 ps量级的超快响应时间.动态调控等离子体波导的传输相移,当泵浦光强为5.83 MW/cm^2时,等离子体诱导透明系统能够实现透射光谱π相移,这是因为基于石墨烯-Ag复合材料结构等离子体波导具有大的等效光学Kerr非线性系数,表面等离子体激元局域光场和等离子体诱导透明效应慢光对光学Kerr效应产生了协同增强作用,大大降低了系统获得透射光谱π相移的泵浦光强.等离子体诱导透明效应透明窗口的可调谐带宽为40 nm,系统的群延时控制在0.15 ps到0.85 ps之间,并且光波通过间接耦合或者相位耦合机制实现了等离子体诱导透明效应相移倍增效应.耦合模式理论计算结果很好地吻合了时域有限差分法仿真模拟结果,研究结果对于低功耗、超快速非线性响应和紧凑型光子器件的设计和制作具有一定的参考意义.     

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.     

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.     

光子集成干涉探测系统关键器件和集成化设计方法研究

基于光波波动效应,采用光束传播法,设计了光程匹配波导、阵列波导光栅、相位调制器以及多模干涉耦合器等光子集成器件.在此基础上,对光子集成器件进行耦合特性分析与计算,设计了完整的光子集成芯片.通过对光子集成干涉系统各组成模块的分析、研究及优化,集成化设计了光子集成干涉探测系统电子样机.结果表明:设计的光子集成器件最小损耗为...     

"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。