空間倍增量子界面的實驗與理論研究.pdf

1、光與原子量子界面可以在光子和原子系綜之間建立起量子關聯(lián)以及糾纏，這是建立量子中繼器的重要組成部分。目前，實現(xiàn)光與原子糾纏界面的方法主要有兩種，一是先利用非線性過程產(chǎn)生糾纏光子對，然后通過將糾纏光子存儲在原子系綜中實現(xiàn)光與原子糾纏界面;其次是直接在原子系綜中，通過自發(fā)拉曼散射等過程直接實現(xiàn)光與原子糾纏界面。本論文圍繞量子存儲以及糾纏光子對的產(chǎn)生，分別在熱原子系綜以及冷原子系綜中進行了光量子存儲實驗研究，并在晶體中通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程以及

2、在冷原子系綜中通過自發(fā)拉曼散射分別實現(xiàn)了糾纏光子對的產(chǎn)生，這些實驗為實現(xiàn)長距離量子通信、分布式量子計算以及建立量子中繼等量子信息技術方面奠定實驗基礎。本論文主要內(nèi)容有:
　　1.我們在熱原子氣室中利用電磁感應透明動力學過程通過施加一個導向磁場增加了光存儲的壽命。實驗測量了在不同大小導向磁場時，恢復效率隨著存儲時間變化關系。實驗結果表明，施加導向磁場B0z=93mG時的存儲壽命是不施加導向磁場B0z=0時存儲壽命的10倍，1/e壽命

3、從～6μs增加到～59μs。我們還從理論上分析了存儲過程退相干的因素，分析了導向磁場消除磁場擾動的原因，解釋了導向磁場增加壽命的機制。
　　2.我們利用電磁感應透明動力學過程(EIT)在熱原子氣室中實現(xiàn)了對相干態(tài)正交分量的存儲與釋放的實驗研究。通過利用平衡零拍探測的方法，實驗測量了三種不同平均輸入光子數(shù)時，信號光的輸入脈沖以及其恢復信號的正交分量值，進而得到了相干態(tài)正交分量隨著本地振蕩光位相變化的數(shù)據(jù)分布圖。實驗結果表明，正交分量

4、值隨本地振蕩光位相均勻分布，其不隨著輸入平均光子數(shù)變化而變化，但其平均幅值的振幅會隨著光子數(shù)的增加而遞增。此外，通過測量正交分量恢復信號隨存儲時間的變化關系得到了存儲壽命為32μs。
　　3.利用腔增強自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的方法產(chǎn)生了頻率在銣原子D1線的窄帶糾纏光子對。腔增強下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏光子對并不是單模的，我們利用標準具濾波器濾去雜散模式實現(xiàn)單模輸出，實驗所產(chǎn)生糾纏光子對的線寬為15MHz，這與原子存儲的線寬相匹配。實驗測量糾纏光子

5、對的Bell參數(shù)S=2.73±0.04，這違背了Bell-CHSH不等式18個標準偏差，表明所產(chǎn)生的糾纏光子對具有很強的糾纏特性。實驗所產(chǎn)生的窄帶糾纏光子對在基于原子系綜量子存儲的量子通訊和量子計算中有重要應用。
　　4.利用電磁感應透明效應將光偏振比特信息存儲在冷原子系綜中，完成了光偏振比特長壽命以及高保真度的量子存儲。通過施加一定強度的軸向磁場將原子Zeeman子能級劈裂，經(jīng)過光泵浦過程制備原子狀態(tài)，使得光量子信息只能存儲在磁

6、不敏感型自旋波極化上，從而消除了磁敏感型自旋波極化在磁場擾動時退相干的影響，從而實現(xiàn)長壽命量子存儲。實驗結果顯示，在存儲時間為200微秒時的偏振保真度為98.6％,在存儲時間為4.5毫秒時的偏振保真度為78.4％。
　　5.我們在冷原子系綜中通過自發(fā)拉曼散射過程制備糾纏光子對，在此基礎上通過收集六個空間不同方向的Stokes光子以及anti-Stokes光子，結合光學開關以及快速反饋機制實現(xiàn)空間倍增。我們測量了種不同偏振投影時偏振