单光子与原子基态激发的干涉

发布时间：2021-01-07 08:23

　　光通信相对于无线通讯等其他通讯手段来说,是一种非常具有优势的通信手段。光通信具有通信容量大,信号衰减小以及保密性好等无与伦比的优势。然而,与传统的光通信相比,量子通信最大的优势在于最具安全性。量子通讯作为一种新型的具有发展潜力的保密通讯方式,在国家安全等方面具有重要意义。在量子通讯中,单光子具有最低的光子数量且能量不能再分割,并且单光子可以加载偏振等信息,因此,在量子通讯中,单光子成为一种重要的通信载体。随着对各种非线性光学介质尤其是原子系综、量子点等新型单光子源平台的开发,单光子的制备和调控在近20年来得到了快速的发展。另一方面,对于单磁子的研究在凝聚态物理领域从不间断。至目前为止,对于磁子的研究依然是一个重要的课题。而原子自旋波在进行量子化处理后也可作为一种原子内部的准磁子。单光子与原子系综中的原子自旋波相互作用,其实就是单光子与原子系综中的基态和相干激发态之间的相互作用,对它的研究对实现有效的量子中继、量子存储器有重要的物理意义。本论文的工作主要研究的是单光子与单原子磁子在冷原子系综中的直接干涉。我们在冷原子系统形成的非厄米的光学分束器中,通过调节耦合光与探测光失谐或者耦合光与a... 

【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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所示，我们考虑一个二能级的原子系统，并且系统处于基态

华东师范大学硕士学位论文3第二章基于冷原子系统产生的单光子与单个原子自旋波大体上讲，人们将原子系综分为：热原子系综（温度在室温左右），冷原子系综（温度在mK及其以下量级）。然而，由于当原子温度较高时，原子的热运动比较明显，使得原子团难以精确控制，使得控制原子集体行为较困难。在大多情况下原子的热运动对研究原子的性质是极其不利的。为了对原子的光学谱线进行研究，对原子的反射情况、光和原子之间的干涉以及原子碰撞等问题进行深入研究，利用激光冷却囚禁技术制备的冷原子系综是一个理想的实验平台。2.1中性原子的激光冷却的原理在1975年时，T.W.Hansch等人就创造性的提出了对池中的原子系综进行激光冷却的物理思想[29]。到了1981年的时候，W.D.Phillips等人提出了利用多普勒效应实现激光冷却原子的想法并且进行了与之相关的实验，最终实验成功[30]。如图2-1所示，我们考虑一个二能级的原子系统，并且系统处于基态。由于热运动的原因，室温下的原子将做无规则运动，因此我们可以认为原子向着x,y,z三个方向运动。当我们将情况简化，我们仅仅考虑沿着一个方向运动的动量为P的原子。我们在沿着原子与运动的方向注入两束红失谐近共振激光，其中两束激光方向相反但是位置相同，由于多普勒效应，原子吸收对向来的光子比较多，吸图2.1多普勒冷却原理

华东师范大学硕士学位论文5图2.2磁光阱冷却原理(a)在z轴方向的塞曼分裂(b)三维磁光阱激光冷却技术达到了蒸发冷却的程度，此时原子团已达到玻色爱因斯坦凝聚所需要的温度，我们可以在实验中观测到玻色爱因斯坦凝聚现象。到目前为止，蒸发冷却温度达到了nK级别。然而蒸发冷却技术已经是冷却技术的极限，到目前为止人们尚未找到进一步冷却的方案。利用冷原子技术可以利用其原理制造冷原子光钟，原子芯片，量子计算等。冷原子光钟的出现使得时间的测量精确度更高；基于冷原子技术制成的原子芯片相对于传统芯片损耗更小；基于光晶格原子的量子计算机的也有望于大幅度提高计算速度并进行对复杂的量子系统的模拟。到目前为止，冷原子已经具有了非常广阔的应用前景。2.2磁光阱冷却上述多普勒理论中，我们已经可以将原子冷却，然而冷却的原子在三维空间，并且我们无法将冷却的原子进行操控，使得其密度较低，这不利于我们对原子团做进一步的研究，不利于研究原子团的集体行为。因此，早在上世纪60年代，利用磁场将中性原子囚禁的思想就被提出。80年代W.D.Phillips等人利用磁阱实现了Na原子的磁囚禁，同时S.Chu等人提出用光学偶极阱将Na原子囚禁[31]，从此打开了操控冷原子的大门。在此，我们着重介绍磁光阱冷却原理。在2.2所示的磁光阱冷却原理中，我们以简单的二能级原子为例，其中原子基态的自旋S为0，角动量为0；激发态原子的自旋为1，角动量为1。在图（b）(b)（a）(a)


本文编号：2962222