集合模量子态转移与量子网络的研究

量子态转移是用电磁感应透明(EIT)控制光与原子量子性质的重要方式之一。当一个量子光场和一个经典光场与三能级∧原子系综形成EIT时，其中光场量子态可以转移到原子系综的基态自旋。目前这项研究仅限于单个量子场。事实上两个光场可能都具有量子性，与原子系综构成三体基本单元。从光场转移到原子系综的将不再是单模量子态，而是双模的集合模量子态，集合模量子态可能完全不同于单模量子态。本项目研究EIT系统中的集合模量子态转移，并用来构建原子系综网络。一、研究EIT约束的三体单元量子态转移的集合模式与机制。二、考察集合模量子态转移的适用条件，包括双光子失谐和基态退相干。三、用集合模量子态转移机制构建原子系综纠缠网络。四、推广到双重或相位依赖EIT系统，研究多模的集合量子态转移。项目的意义在于，给出EIT系统中量子态转移的新模式，获得一个基于EIT 的三体量子态转移基本单元，连续使用多个单元构建量子网络。

电磁感应透明或相干布居囚禁是最具代表性的原子相干效应之一。它们的物理本质是暗共振。当光场与具有两个基态或亚稳态的三能级原子系综在双光子共振条件下发生电偶极共振相互作用时，原子不吸收光场，不被激发，只在基态或亚稳态之间发生双光子共振（暗共振），形成基态或亚稳态的相干叠加态。在偏离暗共振不远处，吸收仍然足够小，但是色散非线性极大地增强。尤其是，光场以集合模式与原子发生作用，具有相当幅度时呈现无限高阶非线性。研究如何利用暗共振操控光与原子量子态，对量子网络具有重要科学意义。本项目确立这个主题，主要研究内容与结果总结如下。.一、暗共振中存在玻戈留玻夫（Bogoliubov）模式离散机制，产生光与自旋压缩态。将光与原子的非线性转移到原子缀饰态，分离出光场和原子起伏量之间的玻戈留玻夫模式作用。光场与原子双方均对对方起着离散作用。这本质上决定着光场或者原子的稳定双量子过程，因而产生光场和原子自旋的双模压缩和纠缠。原子双模压缩对应基态自旋压缩。另一方面，在暗共振以外区域存在同样的机制。离散机制也导致光场高阶压缩。.二、利用暗共振或原子相干性可以建立多个相干通道，产生多模光压缩和纠缠。暗共振使两个或更多原子态处于相干叠加态，这就使得从这些被叠加的态到另一个共同能级的跃迁成为相干通道，多个通道之间形成量子拍。相似的情形可以推广到多个激发态与一个共同基态的原子系统。每个通道在外加驱动场作用下形成两个光场的双光子过程，不同通道间的量子拍使多模光场之间形成双光子过程，从而产生多模压缩和纠缠光。.三、原子-腔串联作用建立量子关联，产生光场和自旋的多模压缩与纠缠。多个光腔可以串联起来，每两个频率相近的光场与一个二能级原子系综耦合，发生双量子过程作用。串联方式使多个光场以玻戈留玻夫模式与原子发生作用，于是多个模之间建立起双光子作用，产生多模压缩与纠缠。另一方面，用真空场耦合串联腔中的多个原子系综，可以产生原子自旋的多体纠缠。.四、原子和机械振子在光场作用下发生玻戈留玻夫模式离散，产生压缩与纠缠。两类不同物质与光场的作用机制不同，原子与腔场发生电偶极相互作用，而振子与腔场因光压而发生作用。在外场驱动下，它们都与两个真空腔场分别发生双量子过程和态转移作用。同时的作用导致二能级原子和机械振子发生玻戈留玻夫模式离散。从而原子和振子呈现双量子过程，不同性质物质产生双模压缩与纠缠。