基于四能级结构原子的干涉和非经典激发

论文摘要

光和原子的相互作用是量子光学实验一个重要的方向。光和原子相互作用,在共振附近会产生电磁感应透明现象。电磁感应透明是当前原子系统里的相干光学实验的理论基础,基于相干介质里的电磁感应透明的物理过程有非常丰富的实验现象和重要的应用。原子系综在量子信息领域里有很多潜在的用途,例如:利用电磁感应透明实现光脉冲延迟的控制;利用原子系综产生具有非经典关联的窄带光子对。光脉冲延迟的有效控制可以保证波包的重合度.量子信息里最重要的一个方向就是实现远距离量子通信。由于光场随传播距离是指数衰减,所以实现远距离量子通信中量子中继的使用是必须的,Duan et al.提出使用原子系综做为量子中继。而要使用原子系综做为量子中继就要求连接中继的光子对必须是窄带光子对,能跟原子系综有效耦合。传统的光子对产生都是基于非线性晶体中的参量下转换,这种方法产生的光子对有很宽的线宽,不能有效跟原子系综耦合。用原子系综产生的光子对是窄带光子对,可以跟原子系综有效耦合,所以原子系综产生的窄带光子对在量子通信中可能会起到很重要的作用.这篇论文的主题是利用远失谐拉曼峰进行光速控制和利用热原子系综产生具有非经典关联的窄带光子对。这篇论文的主要研究内容如下:1.基于双拉曼峰结构的光速控制。对光速的控制在最近的几年里非常受关注。我们提出一种利用四能级系统里的双远失谐拉曼峰进行光速控制的方案。在四能级系统中这种拉曼峰具有很好的频率对称性,在光泵的作用下可以保持形状地从很强的吸收峰变成很强的增益峰。我们在理论上证明.这种方案可以将光场的群速度从远慢于光速一直变到远快于光速,并且在这个过程中波包不会经历大的形变。这个方案可以有效地控制光脉冲从正延迟到负延迟。2.利用非简并四波混频过程实现光学轨道角动量合成.光场的轨道角动量是光场一种很有意思的特性,在近年来吸引了很多人的兴趣。在实验中我们验证在四波混频过程中光场的轨道角动量守恒,利用四波混频可以实现光场的轨道角动量合成。3.在热原子系综里利用自发四波混频过程产生具有非经典关联的窄带光子对。关联光子对在量子信息领域里有很大的作用,很多年来基于非线性晶体的参量下转换一直是产生关联光子对的标准方法,但这种方法产生的光子对具有很大的线宽,不能跟原子有效耦合。用原子系综可以产生窄线宽光子对。国际上已经有一些实验小组在冷原子里产生窄带关联光子对,并给出光子对的时间分辨的二阶关联函数。在热原子系综里虽然也有产生关联光子的报导,但是从来没给出产生的光子对的时间分辨二阶关联函数.在这里我们首次给出热原子系综产生的关联光子对的时间分辨关联计数.验证了产生的关联光子的二阶关联函数违背了Cauchy-schwarz不等式,具有量子关联特性。4.验证热原子系综产生的光子对的轨道角动量纠缠。纠缠是量子力学里特有的一种奇妙的现象,是量子信息过程中一种重要的资源。光子的轨道角动量可以用来产生高维纠缠,使得某些量子信息过程有更高的效率。这里我们验证用热原子系综产生的光子对具有轨道角动量纠缠,这种光子对间的轨道角动量纠缠间接验证了热原子系综跟系统产生的光子具有轨道角动量纠缠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 电磁感应透明
• 1.1（?）型三能级原子的暗态
• 1.2 电磁感应透明的光学特性
• 1.2.1 线性极化率
• 1.2.2 透过特性
• 1.3 脉冲光在电磁感应透明介质里的传播
• 1.4 相干增强的频率转化
• 1.5 四能级原子系综里的非简并参量自振荡
• 1.6 原子系综中的光子对的产生
• 1.6.1 DLCZ方案产生光子对
• 1.6.2 自发四波混频产生非经典关联光子对
• 第二章 利用远失谐拉曼效应的光速控制
• 2.1 三能级系统里的光泵
• 2.2 四能级大失谐拉曼峰的特点
• 2.3 四能级系统里的光速控制
• 第三章 热原子系综里的光子对
• 3.1 热原子系统里的四波混频实验
• 3.1.1 光学泵浦对近简并四波混频的影响
• 3.1.2 非简并四波混频的偏振取向
• 3.1.3 非简并四波混频过程实现光学轨道角动量合成
• 3.2 热原子系综里的非经典关联光子对
• 3.2.1 基于热原子系综的非经典关联光子对的产生
• 3.2.2 热原子系统产生的光子对的轨道角动量纠缠特性
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果