基于里德堡阻塞的单激发绝热制备及纠缠产生
发布时间：2021-04-06 03:08
建立远距离的量子通信和量子网络对于量子信息技术实用化的发展具有重要的意义。面向这一目标,量子中继成为了解决单光子信号在网络中衰减问题的重要途径之一。在诸多可实现量子中继的物理体系中,冷原子系综具有相干时间长和集体增强效应等优点,在所有实现量子中继的体系中综合指标较好。然而传统的DLCZ方案为了避免高阶激发仍然具有概率性的缺陷,这大大限制了量子节点之间的连接效率。我们通过采用里德堡阻塞机制,实现确定性的制备和操控单量子态,克服了原有量子中继方案中的概率性缺陷。在本文的研究中,我们首先搭建了一套冷原子系综的实验平台,利用激光冷却囚禁技术,制备了铷87冷原子系综,进一步的将磁光阱中的原子装载到光偶极阱中实现微小原子系综的制备,为后续引入里德堡阻塞机制和制备里德堡态单激发奠定了实验基础。之后,我们进行了一系列的实验探究。首先,我们在系综中实现了基态双激发集体态的制备,利用拉曼耦合场对不同基态激发进行分束器操作,实现了首个里德堡原子内态的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉实验,验证了原子集体激发的量子性,利用其形成的NOON纠缠态进行Ramsey干涉实现了磁场的超分辨测量,该实验为接下来...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１量子中继原理图??注：图片取自文献【２９］??具体过程如图２．１所示，为了在两个远距离节点Ａ和Ｚ之间建立量子通信，??
?第２章冷原子量子中继基础???（ａ）?｜ｅ＞?｜ｅ＞?（ｂ）??ｆ＼?＜?＼?ｓｉｇｎａｌ??ｗｒｉｔｅ／?、ｓｉｇｎａｌ?＾?ｉｄｌｅｒ?＼?ｒｅａｄ?ｗｒｉｔｅ?８００?ｒｅａｄ??／?ｋ?／?Ｌ??／?＜?｜Ｓ＞??ＯＱ＾?Ｑ?ｄｌＵＱ??ｌｇ＞?ｌｓ＞??图２．２?ＤＬＣＺ原理图??中的跃迁为｜ｇ〉＾?｜ｅ〉和卜〉ｅ?｜ｅ〉。和卜〉之间跃迁禁戒，在实验上，｜ｇ＞和??卜〉的能级结构可通过碱金属原子基态的Ｚｅｅｍａｎ分裂磁子能级或者超精细结构??实现。起初，原子系综内所有的ｉＶｊ个原子都处于基态｜０，一束失谐为儿功率??很低的光脉冲将原子激发到激发态ｋ〉，由于自发拉曼散射效应，原子会以极小??的概率ｚ跃迁到丨ｓ〉并辐射出一个信号光子（Ｓｉｇｎａｌ），这个过程被称为量子存储??“写”（Ｗｒｉｔｅ）的过程。多光子的激发与／成幂次方关系，在ＤＬＣＺ方案中我们通??常会保持较低的激发概率（？１％），避免同时激发产生两个或者两个以上的光子。??若探测到一个散射的信号光子，但是无法判断是哪一个原子被激发，那么原子系??综则制备在一个集体相干激发态上，被称为原子集体自旋波态（Ｓｐｉｎ－ｗａｖｅ），可??表示为：??Ｎ??＼＾）ｓｗ?＝?￣＾＝?ｙ?，…，Ｓｊ，…，ｇＮ）?（２．２）??其中，ｉＶ为原子数，为写光波矢，为写出光子的波矢，４１?＝?１？，－石？，。??为自旋波的波矢，是第ｊ个原子在系综中的位置。??写入过程后，自旋波被存储在原子系综中，在量子中继方案中，我们需要将??自旋波转化回单光子，一束强的读光（Ｒｅａｄ）与跃迁卜〉ｅ?共振，原子会福射??读出光子（Ｉｄｌｅｒ）并回到原子的基
好像与杨氏双缝干涉实验一??样，我们不知道光子会从哪个狭缝路径通过，那么系综Ａ和Ｂ将塌缩到纠缠态：??｜ｖ／）ａＡ＝?ｌ／＼／２（Ｓｌ?＋?ｓ＇ｅ＾）ｌ〇＞?（２．５）??其中丨表示系综中存储了一个集体激发态，表示ＡＢ处两个写光的??相位差与两个写出光子到达中间ＢＳ位置处的相位差之和。节点Ｃ－Ｄ之间的纠缠??与Ａ－Ｂ节点的纠缠过程类似。??在节点Ａ－Ｂ、Ｃ－Ｄ的纠缠建立后，整个体系的态可以写成为??了拓展纠缠分发的距离，我们可以进一步的对Ｂ－Ｃ进行纠缠交换，纠缠交换的??过程如图２．３所示。??Ａ?°??隣?Ｗ?ｃ〇?偏??｛?００＾００??图２．３?ＤＬＣＺ方案单光子纠缠交换示意图??注：图片取自文献??我们同时对Ｂ和Ｃ两个系综进行共振的读光操作，原子会在相位匹配方向??上辐射出读出光子回到原子的基态，Ｂ和Ｃ各自辐射出光子和Ｃ＇同时到达??ＢＣ节点中间进行Ｂｅｌｌ测量，探测到的单光子信号将系综Ａ和Ｄ投影到非定域??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]量子信息技术发展态势与规划分析[J]. 唐川,房俊民,王立娜,张娟. 世界科技研究与发展. 2017(05)
博士论文
[1]冷原子系综内基于里德堡阻塞机制的单量子态制备与操控[D]. 李骏.中国科学技术大学 2017
[2]冷原子量子存储器的实验研究[D]. 杨胜军.中国科学技术大学 2015
本文编号：3120633
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１量子中继原理图??注：图片取自文献【２９］??具体过程如图２．１所示，为了在两个远距离节点Ａ和Ｚ之间建立量子通信，??
?第２章冷原子量子中继基础???（ａ）?｜ｅ＞?｜ｅ＞?（ｂ）??ｆ＼?＜?＼?ｓｉｇｎａｌ??ｗｒｉｔｅ／?、ｓｉｇｎａｌ?＾?ｉｄｌｅｒ?＼?ｒｅａｄ?ｗｒｉｔｅ?８００?ｒｅａｄ??／?ｋ?／?Ｌ??／?＜?｜Ｓ＞??ＯＱ＾?Ｑ?ｄｌＵＱ??ｌｇ＞?ｌｓ＞??图２．２?ＤＬＣＺ原理图??中的跃迁为｜ｇ〉＾?｜ｅ〉和卜〉ｅ?｜ｅ〉。和卜〉之间跃迁禁戒，在实验上，｜ｇ＞和??卜〉的能级结构可通过碱金属原子基态的Ｚｅｅｍａｎ分裂磁子能级或者超精细结构??实现。起初，原子系综内所有的ｉＶｊ个原子都处于基态｜０，一束失谐为儿功率??很低的光脉冲将原子激发到激发态ｋ〉，由于自发拉曼散射效应，原子会以极小??的概率ｚ跃迁到丨ｓ〉并辐射出一个信号光子（Ｓｉｇｎａｌ），这个过程被称为量子存储??“写”（Ｗｒｉｔｅ）的过程。多光子的激发与／成幂次方关系，在ＤＬＣＺ方案中我们通??常会保持较低的激发概率（？１％），避免同时激发产生两个或者两个以上的光子。??若探测到一个散射的信号光子，但是无法判断是哪一个原子被激发，那么原子系??综则制备在一个集体相干激发态上，被称为原子集体自旋波态（Ｓｐｉｎ－ｗａｖｅ），可??表示为：??Ｎ??＼＾）ｓｗ?＝?￣＾＝?ｙ?，…，Ｓｊ，…，ｇＮ）?（２．２）??其中，ｉＶ为原子数，为写光波矢，为写出光子的波矢，４１?＝?１？，－石？，。??为自旋波的波矢，是第ｊ个原子在系综中的位置。??写入过程后，自旋波被存储在原子系综中，在量子中继方案中，我们需要将??自旋波转化回单光子，一束强的读光（Ｒｅａｄ）与跃迁卜〉ｅ?共振，原子会福射??读出光子（Ｉｄｌｅｒ）并回到原子的基
好像与杨氏双缝干涉实验一??样，我们不知道光子会从哪个狭缝路径通过，那么系综Ａ和Ｂ将塌缩到纠缠态：??｜ｖ／）ａＡ＝?ｌ／＼／２（Ｓｌ?＋?ｓ＇ｅ＾）ｌ〇＞?（２．５）??其中丨表示系综中存储了一个集体激发态，表示ＡＢ处两个写光的??相位差与两个写出光子到达中间ＢＳ位置处的相位差之和。节点Ｃ－Ｄ之间的纠缠??与Ａ－Ｂ节点的纠缠过程类似。??在节点Ａ－Ｂ、Ｃ－Ｄ的纠缠建立后，整个体系的态可以写成为??了拓展纠缠分发的距离，我们可以进一步的对Ｂ－Ｃ进行纠缠交换，纠缠交换的??过程如图２．３所示。??Ａ?°??隣?Ｗ?ｃ〇?偏??｛?００＾００??图２．３?ＤＬＣＺ方案单光子纠缠交换示意图??注：图片取自文献??我们同时对Ｂ和Ｃ两个系综进行共振的读光操作，原子会在相位匹配方向??上辐射出读出光子回到原子的基态，Ｂ和Ｃ各自辐射出光子和Ｃ＇同时到达??ＢＣ节点中间进行Ｂｅｌｌ测量，探测到的单光子信号将系综Ａ和Ｄ投影到非定域??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]量子信息技术发展态势与规划分析[J]. 唐川,房俊民,王立娜,张娟. 世界科技研究与发展. 2017(05)
博士论文
[1]冷原子系综内基于里德堡阻塞机制的单量子态制备与操控[D]. 李骏.中国科学技术大学 2017
[2]冷原子量子存储器的实验研究[D]. 杨胜军.中国科学技术大学 2015
本文编号：3120633
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