冷原子量子存儲中的激光穩(wěn)頻與鎖相技術(shù).pdf

1、量子信息是量子物理和信息科學(xué)交叉發(fā)展起來的新學(xué)科，主要包含了量子計(jì)算、量子通信和量子密碼術(shù)三個(gè)方面。在理論上，量子計(jì)算機(jī)有超強(qiáng)的計(jì)算能力以及量子密碼有絕對可靠的信息傳輸安全性。關(guān)于量子計(jì)算以及量子密碼的理論工作已經(jīng)很完善，已經(jīng)提出了很多原理甚至算法。然而在實(shí)用化進(jìn)程中，量子計(jì)算以及量子密碼都遇到了大難題。量子計(jì)算亟需解決量子存儲的問題，以使系統(tǒng)的量子比特?cái)?shù)更多。遠(yuǎn)距離乃至全球的量子密碼通信需要解決量子中繼的問題。這也需要一個(gè)量子存儲器。

2、要想實(shí)現(xiàn)量子存儲，首先需要尋找一種適合用于量子存儲的媒介。 光子的高傳播速度和低損耗使其非常適合作為量子信息的傳輸媒介。而冷原子的穩(wěn)態(tài)性以及和環(huán)境的弱耦合，使冷原子十分適合作為量子信息的存儲媒介。冷原子技術(shù)的進(jìn)步有望給量子存儲帶來突破性進(jìn)展，從而推進(jìn)量子信息的實(shí)用化進(jìn)程。 冷原子指的是處于極冷狀態(tài)的稀薄原子氣體，一般溫度只有數(shù)十μK的量級。這種狀態(tài)下原子的熱運(yùn)動速度很小，對于87Rb原子來說最概然速度約為0.05m/s(

3、作為參照，室溫下這個(gè)速度約為250m/s，和客機(jī)的速度不多)。如此慢速的原子動能很小，可以很容易地被激光囚禁在一定的局域空間里，并且多普勒效應(yīng)基本可以忽略。同時(shí)，冷原子的稀薄性使得原子間的相互作用力非常小，可以認(rèn)為每個(gè)原子都是一個(gè)靜止的孤立體系。這種孤立體系一直是科學(xué)家們夢寐以求的，是基礎(chǔ)科學(xué)研究非常理想的載體。 冷原子的獲得很大程度上歸功于室溫原子的激光冷卻技術(shù)以及冷原子的激光陷俘技術(shù)的進(jìn)步。由于對激光冷卻以及激光陷俘做出了巨

4、大貢獻(xiàn)，朱棣文等人榮獲了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎。這掀起了冷原子研究的熱潮。不久后，2001年、2005年的諾貝爾物理學(xué)獎都是與冷原子有直接的關(guān)系。十多年了，激光冷卻和俘獲原子的技術(shù)得到了充分的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的形式。但不管什么樣的冷卻和陷俘手段，基本上都對激光這一重要的工具有苛刻的要求，否則無法達(dá)到冷卻和陷俘的目的。最重要的一個(gè)要求是很窄的線寬以及很高的頻率穩(wěn)定度。本論文第二章和第三章的工作就是分別為了解決這兩個(gè)問題的，為冷原子

5、實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建了最基本的條件。第二章中，通過給激光器增加一個(gè)光柵型外腔反饋的辦法，壓窄了半導(dǎo)體激光器的線寬。第三章中，通過射頻調(diào)制的飽和吸收穩(wěn)頻方法，使激光器的頻率鎖定到十分穩(wěn)定的原子的超精細(xì)躍遷線上。論文中實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)頻系統(tǒng)能直接替換從德國進(jìn)口的昂貴系統(tǒng)。在第三章的內(nèi)容里，詳細(xì)分析了射頻調(diào)制的飽和吸收穩(wěn)頻方法所需要的誤差信號的產(chǎn)生機(jī)制，并給出了不同調(diào)制頻率下誤差信號的理論曲線。對誤差信號產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了深入研究之后，本文提出了同時(shí)利用色散和吸

6、收來產(chǎn)生誤差信號的新算法，有望擴(kuò)大頻率鎖定范圍和壓窄線寬。關(guān)于射頻調(diào)制飽和吸收穩(wěn)頻的誤差信號產(chǎn)生的內(nèi)容國內(nèi)所見的文獻(xiàn)很少提及。這兩章的工作為冷原子的獲得提供了基礎(chǔ)。 冷原子獨(dú)特的性質(zhì)早使它深入到了各個(gè)領(lǐng)域特別是微尺度物質(zhì)科學(xué)當(dāng)中，這包括了量子信息學(xué)這一門新興的交叉學(xué)科。 為了能開展基于冷原子系綜的量子存儲實(shí)驗(yàn)，除了需要有獲得冷原子的設(shè)施之外，還需要有能對冷原子系綜進(jìn)行量子操控的手段。比如像基于EIT現(xiàn)象的量子存儲實(shí)驗(yàn)中，

7、就需要兩臺頻率相差一定的值并且有固定相位關(guān)系的鎖相激光器系統(tǒng)。本論文第四章的工作是針對半導(dǎo)體激光器鎖相的研究，分別設(shè)計(jì)了模擬OPLL(Optical Phase Lock Loop)和數(shù)字OPLL對兩臺激光器進(jìn)行了相位鎖定，為冷原子量子存儲實(shí)驗(yàn)提供了必需的操作手段。設(shè)計(jì)的數(shù)字OPLL能夠?qū)崿F(xiàn)頻差高達(dá)7GHz的兩臺激光器的相位鎖定。類似的鎖相研究在國內(nèi)還未見報(bào)道。 除了上面幾項(xiàng)針對冷原子量子存儲實(shí)驗(yàn)的工作外，本人還承擔(dān)了城域量子電

8、話網(wǎng)絡(luò)中的交換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)任務(wù)。實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首個(gè)8用戶的光量子程控交換機(jī)，使得方圓20公里內(nèi)的8個(gè)用戶能夠兩兩進(jìn)行量子級別的保密通話或者其它保密應(yīng)用。該交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)使目前的量子保密通信向?qū)嵱没途W(wǎng)絡(luò)化又邁進(jìn)了一大步。 綜合以上所述，本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1.采用射頻調(diào)制的飽和吸收穩(wěn)頻法，實(shí)現(xiàn)了對自制外延腔半導(dǎo)體激光器的高集成度穩(wěn)頻系統(tǒng)，為冷原子量子存儲實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。該穩(wěn)頻系統(tǒng)達(dá)到了德國進(jìn)口的同類產(chǎn)品的性能。