冷原子系综中基于梯度回波的高维光子轨道角动量量子态存储

High dimensional quantum system (HDQS) has shown potential advantage in quantum information due to the large information capacity and strong interference free performance. The quantum state with photon orbital angular momentum (OAM) forms a complete basis set in Hilbert space, which is an ideal candidate to study HDQS. This proposal aims on the modal dispersion problem of high dimensional OAM state during the storage in atoms. The technique of gradient echo memory (GEM) is utilized to compensate the phase evolution during storage. The different OAM states are coded to the different frequency photons with frequency shifting, which means the difference of spatial mode is mapped to the difference of spectrum. Then the OAM state can be feasible stored to the different atoms under gradient magnetic field. And the high efficiency and long time storage with high dimensional state of single photon and multimode OAM states can be achieved in cold atoms. Meanwhile, by using the gradient magnetic field, the different photon OAM state which is coded by the rotational Dopplor frequency shifting can be diverged to different path due to atomic polarization. In such way, high dimensional OAM state can also be identified with atomic ensembles. Our study may provide a new method to realize high dimensional OAM state storage and identification based on cold atoms, and may provide the theoretical and experimental support for the application of high dimensional quantum state in quantum information.

高维量子体系由于其信息携带量大、抗噪能力强，在量子信息领域展现出潜在的优势和应用价值。光子的轨道角动量（OAM）量子态构成了一个无限维的希尔伯特空间，是研究高维量子系统的理想客体。本项目针对高维OAM态在原子存储时的空间模式耗散问题，利用梯度回波存储技术进行相位补偿，同时将不同OAM态移频编码到不同频率的光子上，即把光子空间模式态的差异反映到光子的频谱分布上，进而可以方便地将不同OAM态耦合到梯度磁场下不同位置的原子，实现单光子高维和多模OAM态在冷原子系综的高效率、长时间存储。此外，利用梯度磁场，将经过旋转多普勒频移编码的光子OAM态通过原子极化分束到不同路径，实现高维OAM态的识别。本项目将为高维光子轨道角动量量子态的存储和识别提供基于冷原子系综实现的新方法，为高维量子态在量子信息领域的发展提供实验和理论基础。

高维量子体系由于其信息携带量大、抗噪能力强，在量子信息领域展现出潜在的优势和应用价值。光子的轨道角动量（OAM）量子态构成了一个无限维的希尔伯特空间，是研究高维量子系统的理想客体。本项目针对高维OAM态在原子存储时的空间模式耗散问题，成功搭建了光学厚度约为430的高厚冷原子系综，并详细研究了基于原子系综复杂模式光场的存储。取得主要成果如下：1. 基于该高厚冷原子获得了保真度为98%、存储效率为65%高维光子态的存储，这也是目前效率最高的高维态存储；2. 研究了复杂光场模式在扩散原子介质中的存储行为，发现空间频谱具有中心对称性的结构光场可以对原子扩散有抑制作用，并采用完美涡旋光替代拉盖尔高斯模式，设计了不同OAM阶数对应不同光斑半径的波分复用和解复用方案，实现了多模式的同时存储与读出的解复用区分；3. 在原子介质中观察到一种新的量子相干效应，该相干效应起源于两束有一定空间距离的光束作用于在两光束间渡越的同一原子，使得原共振吸收的光束透明通过，产生与电磁诱导透明（EIT）类似的效应，成果在Opt. Lett.发表后被编辑选为亮点工作（highlighted article）；4. 基于原子与光场相互作用的EIT效应提出可视化原子罗盘方案，实现了二维横向磁场的可视化测量。项目执行期间共发表高水平学术论文28篇，培养毕业博士研究生5人，硕士研究生8人。本项目的完成为高维光子轨道角动量量子态的存储和识别提供基于原子系综实现的新方法，为高维量子态在量子信息领域的发展提供实验和理论基础。