空間倍增量子界面的實(shí)驗(yàn)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(guān)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(shí)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(duì)，然后通過將糾纏光子存儲(chǔ)在原子系綜中實(shí)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(shí)現(xiàn)光與原子糾纏界面。本論文圍繞量子存儲(chǔ)以及糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生，分別在熱原子系綜以及冷原子系綜中進(jìn)行了光量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生，這些實(shí)驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子通信、分布式量子計(jì)算以及建立量子中繼等量子信息技術(shù)方面奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本論文主要內(nèi)容有:
　　1.我們?cè)跓嵩託馐抑欣秒姶鸥袘?yīng)透明動(dòng)力學(xué)過程通過施加一個(gè)導(dǎo)向磁場(chǎng)增加了光存儲(chǔ)的壽命。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了在不同大小導(dǎo)向磁場(chǎng)時(shí)，恢復(fù)效率隨著存儲(chǔ)時(shí)間變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加導(dǎo)向磁場(chǎng)B0z=93mG時(shí)的存儲(chǔ)壽命是不施加導(dǎo)向磁場(chǎng)B0z=0時(shí)存儲(chǔ)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(chǔ)過程退相干的因素，分析了導(dǎo)向磁場(chǎng)消除磁場(chǎng)擾動(dòng)的原因，解釋了導(dǎo)向磁場(chǎng)增加壽命的機(jī)制。
　　2.我們利用電磁感應(yīng)透明動(dòng)力學(xué)過程(EIT)在熱原子氣室中實(shí)現(xiàn)了對(duì)相干態(tài)正交分量的存儲(chǔ)與釋放的實(shí)驗(yàn)研究。通過利用平衡零拍探測(cè)的方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了三種不同平均輸入光子數(shù)時(shí)，信號(hào)光的輸入脈沖以及其恢復(fù)信號(hào)的正交分量值，進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(huì)隨著光子數(shù)的增加而遞增。此外，通過測(cè)量正交分量恢復(fù)信號(hào)隨存儲(chǔ)時(shí)間的變化關(guān)系得到了存儲(chǔ)壽命為32μs。
　　3.利用腔增強(qiáng)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(duì)。腔增強(qiáng)下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)并不是單模的，我們利用標(biāo)準(zhǔn)具濾波器濾去雜散模式實(shí)現(xiàn)單模輸出，實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的線寬為15MHz，這與原子存儲(chǔ)的線寬相匹配。實(shí)驗(yàn)測(cè)量糾纏光子

5、對(duì)的Bell參數(shù)S=2.73±0.04，這違背了Bell-CHSH不等式18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，表明所產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)具有很強(qiáng)的糾纏特性。實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的窄帶糾纏光子對(duì)在基于原子系綜量子存儲(chǔ)的量子通訊和量子計(jì)算中有重要應(yīng)用。
　　4.利用電磁感應(yīng)透明效應(yīng)將光偏振比特信息存儲(chǔ)在冷原子系綜中，完成了光偏振比特長(zhǎng)壽命以及高保真度的量子存儲(chǔ)。通過施加一定強(qiáng)度的軸向磁場(chǎng)將原子Zeeman子能級(jí)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(chǔ)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(chǎng)擾動(dòng)時(shí)退相干的影響，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在存儲(chǔ)時(shí)間為200微秒時(shí)的偏振保真度為98.6％,在存儲(chǔ)時(shí)間為4.5毫秒時(shí)的偏振保真度為78.4％。
　　5.我們?cè)诶湓酉稻C中通過自發(fā)拉曼散射過程制備糾纏光子對(duì)，在此基礎(chǔ)上通過收集六個(gè)空間不同方向的Stokes光子以及anti-Stokes光子，結(jié)合光學(xué)開關(guān)以及快速反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)空間倍增。我們測(cè)量了種不同偏振投影時(shí)偏振