基于EIT窗内多色作用的光场、自旋和机械振子非线性与量子关联研究

This project investigates the bichromatic or polychromatic nonlinear interactions within electromagnetically induced transparency (EIT) windows. It provides one with a new way of obtaining squeezed states of multimode fields, atomic ground state spins, and mechanical oscillators. The essential difference from the existing work lies in that the bichromatic or polychromatic nonlinear interactions happen within EIT windows without the aid of Raman process beyond the windows. The advantages include: (1) Dispersive nonlinearities dominate within EIT windows; (2) Atomic ground state spins, having long lifetimes, act both as the elements for optical nonlinearities and as the nodes for storing quantized states; (3) large strengths for light-atom interactions. The purpose is to look for the nonlinearities for squeezed states of the optical fields, spins, and mechanical oscillators. The contents are organized as four aspects. (1) Two-mode unit within EIT windows: Investigated are the near-resonant interactions of the atoms with the two fields that locate about the dark-resonance frequency. (2) Multimode unit within and beyond EIT windows: Discussed are the nonlinear interactions of the near-resonant fields within the window with those far-off resonant beyond the window. (3) Multimode unit within cascaded EIT windows：Analyzed are two interacting dark resonances for multimode nonlinear interactions within double windows. (4) Optical-field-spin-mechanical-oscillator within EIT windows：Explored are the nonlinearities when the beat signals of the fields within EIT windows are resonant with mechanical oscillators.

本项目研究EIT窗内的双色或者多色非线性作用，为制备多模光场、原子基态自旋和机械振子的压缩态提供一种新的方式。与已有研究的本质区别在于，双色或者多色非线性作用是在EIT窗口内发生，不必借助窗外的拉曼过程。其优势是：（1）EIT窗口内色散非线性起主导作用；（2）原子基态自旋寿命长，既是建立光场非线性的主体，也是量子存储单元；（3）在近共振区域光与原子具有很高作用强度。研究目的是要获取制备光场、自旋和机械振子压缩态所需的非线性。主要内容从下列四个方面展开。（1）EIT窗内双模单元：研究窗口内分别位于暗共振频率两侧的光场与原子的近共振作用；（2）EIT窗内外多模单元：研究透明窗内近共振光场与窗外远离共振光场之间的非线性；（3）串联EIT窗内多模单元：研究分布于两个耦合的透明窗口中不同光场之间的非线性；（4）EIT窗内光场-自旋-机械振子单元：研究EIT窗口内引入拍频光场与机械振子共振的非线性。

本项目研究了电磁感应透明（简称EIT）和相干布居捕获（简称CPT）的非线性作用与量子关联，为制备多模光场、原子自旋和机械振子的压缩态提供新的方式。EIT/CPT是光与物质相互作用领域倍受关注的相干效应之一。当光场与原子在共振条件下进行Λ构型耦合，原子只在两个基态之间发生双光子共振，进入基态相干叠加组成的暗态。拉比频率相差悬殊情形称为EIT，原子主要只分布在小拉比频率耦合的基态上。拉比频率有相当或相同幅度情形称为CPT，构成暗态的每一个基态有相当的分布几率。因为暗共振共性，有时二者统称为EIT。EIT系统是在共振频率附近抑制吸收并增强色散。对比之下，二能级系统通过调谐光场远离共振，抑制吸收，保持相对较大的色散，但色散也变得很弱。因此EIT更适合控制光与原子系综的量子关联。主要有三方面工作：.一、构建EIT窗口内的光场非线性作用。一个原子与两个耦合场组成系列三重态，其中中间态接近暗态，另外两个态远离暗态，分别居于暗态之上和之下。原子从一组三重态的中间态经过邻近一组三重态的上下两态到另一个相邻的中间态，形成双光子参量过程，构成光场压缩算符。二、构建EIT窗内外不同光场之间的类光机械非线性作用。尽管中心对称原子分子对所有场（耦合场和探测场）而言并不具有二阶非线性，然而，包括耦合场作用的暗共振原子对探测场却能产生二阶非线性。两个弱探测场中， 一个耦合CPT跃迁的一翼，暗态发生微小潜移；另一个耦合CPT串联的辅助跃迁时构成N型，引入斯塔克漂移。暗态潜移和斯塔克漂移共同作用，导致两个探测场对暗共振原子的二阶非线性响应。与三阶非线性相比增强的倍数为耦合场与探测场拉比频率之比。三、构建磁振子与原子自旋场致非线性作用。尽管磁振子与原子之间本无直接相互作用，然而，通过微波腔的色散作用，在磁振子和超导量子比特之间建立强耦合，给单个磁振子模式水平的量子态操作奠定了基础。