冷原子系统中单光子的量子干涉研究

发布时间：2020-08-17 08:54

【摘要】：高纯度的单光子是量子干涉的基础,而独立单光子源之间的量子干涉是实现可扩展量子网络的必要条件。多年以来,基于多种介质、多种物理机制、多种实现方式的单光子源层出不穷,其各具优点,也各有缺陷。我们利用二维磁光阱冷原子良好的相干性和四波混频强三阶非线性效应,在高光学深度的条件下,实现了具有窄带宽、长相干时间、时间-频率纠缠、高纯度等优良性质的预报式单光子,光子对相干时间长达2.34微秒。我们首次在实验上通过Hong-Ou-Mandel干涉证明了这种光子对产生的预报式单光子具有接近100%的时域纯度,同时保留了光子对之间的时间-频率纠缠。我们研究了两台独立冷原子系综产生的单光子之间连续式与脉冲式、同频与不同频的时域量子干涉,获得了极高的干涉对比度,揭示了其物理机制和意义,探讨了其潜在的应用价值。本论文包括以下几项工作:1.搭建了两套二维磁光阱冷原子系统,包括真空系统的组装,矩形线圈和六路冷却光的搭建和调试,锁频、驱动、滤波腔等电子控制设备的制作,使用Labview进行高速数据采集与处理的软件编制等,从无到有完成了整个实验室的搭建。2.在制备两套独立冷原子系统产生的窄线宽、长相干时间的预报式单光子的基础上,我们首次实现了它们之间的高对比度的双光子干涉,即Hong-Ou-Mandel干涉,对比度高达80%。这证明了单光子处于时域纯态,同时保留了光子对之间的时间-频率纠缠。另外,我们还实现了脉冲激发场下自旋波写-读式单光子的HOM干涉,获得了高达91%的对比度,同时证明了其时间-频率纠缠已被消除。3.在同样的两套冷原子系统下,双Λ能级结构下自发四波混频过程产生的预报式单光子的频率是可调节的。我们研究了独立光子源间的量子拍频效应。所使用的长相干时间的单光子之间的频率差达到时间可辨析的MHz量级。干涉所输出的态是一个离散频率纠缠态,其纠缠态的贝尔系数可由量子拍频信号的对比度计算得到。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O431.2
【图文】：

探测光,失谐,原系统,角频率

失谐为的弱探测光作用。与分别为基态与激发态。图2.1描述了束频率为p的弱探测光进各向同性的能级原体介质，相互作后出射的情景，其中只考虑了电场。假设探测光沿 +z 轴向传播，则其电场波函数可以表为Epεpi kpz ωptpi kpz ωpt(2.1)其中p p为探测光在介质中的波数，是真空光速，n 是介质折射率，在真空中，ε 是单位偏振量。p是光场振幅的复?

三能级系统,探测光,三能级,原系统

2.1.2三能级系统图2.2所的三能级系统中，频率为p的探测光和频率为c的耦合光分别作于和，和之间。同样地，我们有EcEci kcz ωctEci kcz ωct(2.31)-15-

线性极化,三能级系统,蓝线,虚部

′ ′′，其实部和虚部分别与散和吸收有关。如图2.3(a)，当共振时， ′ 和 ′′ 都等于 0，即当折射率为 1 时，介质对探测光吸收为0，因此这时的原体在强耦合光作下，对共振探测光是透明的。这点在图2.3(b)中清晰地显出来，当耦合光关闭时，探测光被吸收成洛伦兹线型；当耦合光打开时，透射谱线在失谐为 0 处出现明显的透明窗

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