基于腔QED系统中磁光控制的磁探测研究

The accurate detecting technology of weak magnetic field plays a very important role in many fields such as medical diagnosis, surveys of geology and mineral resources, militray and so on. It is chanllege to detect weak magnetic field with ultrahigh sensitivity associated. In this project, we will study the ultrahigh sensitivity magnetometry based on the magneto-optical manipulation in cavity QED system, and then give some theoretically predictions for experiments. The main studies are as follows: i) Based on intracavity EIT, we plan to study the coherent control of the magneto-optical effect in cavity QED system with cavity-enhanced effect and collective effect, and then investigate its applications in weak magnetic field detection. We thus suggest the optical magnetometry with ultrahigh sensitivity based on the magneto-optical control in cavity QED system; ii) We plan to study the coherent contrtol of magneto-optical effect with VIT, and analysis the new features of the ultrahigh sensitivity optical magnetometry; iii) By introducing quantum entanglement into the cavity QED system, we plan to study the intrinsic relation between the quantum entanglement and sensitivity limit, and then propose the new optical magnetometry beyond the standard quantum limit. We believe that our studies have great contributions to the high precision spectroscopy and the design of optical devices based on the magneto-optical effect.

微弱磁场精密探测技术在医学诊断、地质调查和矿产资源勘查、军事等领域起着不可替代的重要作用。但是如何实现超高灵敏度磁探测一直是研究者们想要解决的关键问题。本项目旨在基于腔QED系统中磁光控制，探讨超高灵敏度磁探测新原理，为相关实验提供理论支持和数据参考。主要研究内容有：1) 基于腔电磁诱导透明效应，探究腔的增强效应、集体效应等对腔QED系统磁光效应的相干调控机理，将其应用于微弱磁场的精密探测，对磁探测灵敏度等指标进行分析，揭示基于腔电磁诱导透明的超高灵敏度磁探测原理，并将其推广至室温；2）基于真空诱导透明探讨腔QED系统磁光控制新机制，建立以此为理论基础的超高灵敏度磁探测新方案；3）将量子纠缠引入腔QED系统，研究量子纠缠与磁探测灵敏度之间的内在关联，建立基于量子纠缠的突破标准量子极限磁探测新原理。这些研究对高精度光谱学以及基于磁光控制的光学元器件研发具有重要意义。

为实现海森堡极限下的量子精密测量，本项目详细研究腔QED系统中的磁光控制机制，并以此为基础探讨在弱磁探测等方面的潜在应用。主要内容有：1）结合腔电磁诱导透明和集体激发，腔增强法拉第弱磁探测的灵敏度与系综原子数成反比，从标准量子极限推广至海森堡极限，多光子探测的灵敏度可达105.6 aT/Hz1/2。构建消多普勒相互作用构型，将海森堡极限下的的磁探测方案从冷原子系综推广至室温条件。理论分析和数值估算表明，在真实室温实验条件下单光子探测和多光子探测时灵敏度分别可达nT/Hz1/2和fT/Hz1/2；2）光学腔的真空模式替代经典光场，由于原子的相干拉曼散射，入射光激发的腔模与另一腔模之间可以相互转换，导致系统的腔真空诱导透明与法拉第旋转依赖于入射光脉冲的光子数，利用该特性可以从偏振方向上实现光脉冲Fock态的分离，从而实现稳定可控的单光子源；3）通过相干布局囚禁技术将自旋相干引入磁光控制，与传统磁光旋转不同，此时法拉第偏转角表现出平台效应，同时透射谱被放大。理论计算表明，非传统磁光旋转可以实现超窄带（1 MHz）光学滤波，该滤波器可应用于在强背景噪声中提取微弱信号；4）利用克尔非线性和声表面态在杂化量子体系中实现声表面波声子阻塞，该方案可解决超导量子电路中微波串扰的难题；5）理论上利用碳纳米管量子点中的自旋-轨道耦合效应打破时间反演对称，在固态半导体微结构材料中实现无磁、宽带宽（1-10 GHz）、低损耗、高保真度固态光学二极管和循环器。这些研究对高灵敏度量子精密测量以及用于量子信息的无磁光学元器件研发具有重要意义。