双光子跃迁主导超冷原子系综的量子相干操控

单光子跃迁主导的EIT和STIRAP技术是对各类原子系综进行量子相干操控的两个最重要激光耦合技术，已被广泛用于光学信息的可逆存储和原子布居的绝热迁移等诸多方面。但是，双光子跃迁主导的EIT和STIRAP现象尚未得到足够重视。. 在本项目中，针对选定的五能级原子系统，在两个探测光（或Pump光）满足双光子共振、两个耦合光（或Stokes光）满足双光子共振且四个相干激光均有较大单光子失谐的情况下，我们将从稳态吸收光谱、原子动态演化和系统暗态构成等方面着手，研究双光子跃迁主导的EIT和STIRAP现象。我们将特别关注里德堡原子的长程偶极作用对双光子EIT稳态光谱和STIRAP动态演化的影响，并分析偶极封锁效应导致的暗态纠缠特性。我们还将利用双光子EIT和STIRAP技术与偶极封锁效应对限制在光晶格或磁光阱中的超冷原子系综进行量子相干操控，并提出几个切实可行的量子纠缠态和量子逻辑门实现方案。

考虑到单光子跃迁主导的各类量子相干现象已得到充分研究，而双光子跃迁主导的EIT和STIRAP等现象尚未得到足够重视，特别是里德堡原子特有的偶极阻塞效应和多重周期调制等相干操控手段正在引起更多关注，我们针对几个典型原子系统选择适当的耦合机制研究了与双光子跃迁有关的一些新奇物理现象并探讨了相关应用，具体开展了3方面的研究工作并取得了如下重要进展。1、双光子EIT和STIRAP系统的量子相干操控：分析了复杂单光子系统绝热约化为简单双光子系统的主要条件，模拟了基于完全STIRAP技术的原子布局绝热输运过程，提出了利用分数STIRAP技术实现任意几何相位积累的理论方案，发现可利用高精度拍频信号获取量子光场相位信息或利用超快光学前驱标记超慢弱光信号。2、基于里德堡原子偶极阻塞效应的量子相干调控：研究了一个单里德堡态EIT系统，发现可获得对输入强度敏感且伴随较强光子聚束（反聚束）效应的正常（反常）非线性EIT窗口；通过建立修正的超级原子模型纠正了关于透射光强和光子关联的不当预期，发现可利用偶极阻塞效应的偏振敏感特性设计高效光子相位门；研究了一个双里德堡态EIT系统，发现可同时调控双光子和三光子关联函数并在单光子和双光子输出之间自由转换；分析了STIRAP条件下里德堡原子的动态演化，发现既可进入反偶极阻塞区实现由基态到里德堡态的高效布局转移，也可进入偶极阻塞区在基态和里德堡态之间实现最大量子纠缠。3、基于单重和双重周期调制的量子相干调控：研究了一个双∧型原子晶格，发现在无增益耦合机制下可产生便于单光子量子纠缠实现的双色关联光子带隙，在有增益耦合机制下可产生超低阈值的双色分布反馈激光；研究了一个单∧型原子晶格，发现利用多普勒效应破坏时间反演对称性可获得高达95%的光学不互惠性，进而设计光子二极管等输运性质不对称的量子器件；研究了一个准∧型EIT系统，发现能够实现可见光（红外光）控制紫外光的二阶（五阶）光子带隙；研究了一个N型EIT系统，发现当原子密度和动态频移的空间周期分布具有一定相移时，能够实现PT反对称性、非厄密简并与单向光学反射。上述3项研究成果对于理解一些复杂的光子-原子耦合机制，以及发展基于光子-原子界面的量子操控技术和新型光子器件有重要科学意义。