铷原子系综中实现高性能拉曼量子存储的实验研究

发布时间：2017-12-17 22:25

  本文关键词：铷原子系综中实现高性能拉曼量子存储的实验研究

  更多相关文章： 拉曼散射 量子存储 相干反馈 高效率 高保真度 关联

【摘要】：在量子信息和量子计算领域中,量子态的存储和提取,也就是量子存储,一直是其中至关重要的部分。过去,人们通常在原子系综或者类原子系综介质中进行研究。目前,原子系综在量子存储领域同样扮演者重要角色,因为原子系综具有不可比拟的高耦合效率和可操控性等特性。具有高光学密度的原子系综不仅能够实现量子态的制备,还能够实现高效的量子态转换和存储。因此具有高光学密度的原子系综和光场的相互作用,一直以来受到人们的关注。经过几十年的研究,提出了许多能够用于真正量子态存储的高效率存储方案,其中包括:电磁诱导透明存储,远共振拉曼存储,梯度光子回波存储,法拉第旋转存储方案等等。在这些原子系综实现量子存储的方案中,拉曼散射由于其高带宽,高速,具有多摸存储能力而受到关注。过去对原子系综拉曼散射和拉曼存储实验和理论进行过大量的研究,也取得了一定的成果。虽然拉曼散射和拉曼存储在理论上完全能够实现高效率的量子过程,但是相比于上述其余几种方案,在实验中一直未能真正实现。在这样的背景下,我们重点研究了如何在铷87原子系综中实现高效光与原子之间量子态的转换。本文中利用高光学密度原子系综拉曼效应演示了光与原子间的态转换,同时深入研究了高效转换条件。利用前人的成果,我们进行了如下研究:1.基于拉曼散射的关联特性,我们研究了利用自发拉曼过程在原子系综中写入相位信息,并在随后的读取过程中实现光相位信息的读取。实验中,我们利用一套简单关联系数探测实现自发拉曼信号随机相位的过滤,将光相位信号写入原子自旋波中。并且利用高阶相位关联测量从自旋波中提取存储的相位信息,实现了光学相位的随机编码存储和解码提取。2.在上述实验的基础上,我们进一步利用拉曼散射中光与原子相互作用的关联特性,重点研究了拉曼散射中影响提取效率的因素。实验中,我们研究了拉曼读取过程中影响读取效率的因素。特别的,我们发现实验中自发写入过程产生的多模效应会对读取效率的影响,并从理论上证明了模式对于拉曼读取的重要性。3.在研究了模式的影响后,我们利用相干反馈机制实现了自发拉曼散射的模式清洁,并且实现了 90%的拉曼读取效率。利用相干反馈机制产生的自发拉曼散射具有良好的空间特性,能够保证高效的读取和信息转换。不仅如此,我们对比了正常的拉曼读取过程和相干反馈拉曼读取过程,发现相干反馈装置不仅仅提高了读取效率,还能够降低系统噪声,实现更好的关联性。4.在实现了高效率原子自旋波信息读取的基础上,我们对高效远共振拉曼存储进行了实验上的研究。在拉曼存储过程中,我们首次在实验上通过对控制光场的时间波形优化,实现了传统原子系综拉曼存储的突破。实验上,我们不仅实现了高效的拉曼存储,还测量了弱光子条件下的无条件保真度,证明了我们的系统能够实现真正的量子态存储。5.在此基础上,我们加入了相干反馈机制,在保证量子效率和量子保真度不变的情况下实现了带反馈的拉曼存储系统。这样的量子存储系统降低了通常拉曼存储所需要的光强和原子密度的条件,对于进一步实现量子存储的实用化有着重要作用。这些研究工作对于实现高效高保真可实用化的量子信息转换器件有着重要作用,有利于量子信息以及量子计算的实用化。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O413;TP333

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本文编号：1301817