基于原子自旋波实现多光束量子关联与存储的理论和实验研究

In this project, by using atomic spin wave produced through electromagnetically induced transparency (EIT), we theoretically and experimentally investigate quantum correlations and storage of multiple optical fields in a triple-Λ and quadruple-Λ-type system formed by applying the probe, coupling, and mixing fields to interact with the three levels 5S1/2 (F=2), 5S1/2 (F=3), and 5P1/2 of 85Rb atom. We first show that, by varying the experimental conditions, such as the sample temperature, intensity or detuning of the pump field, the generated multiple Stokes and anti-Stokes fields display strong quantum correlations and anti-correlations, and this scheme can,in principle, be extended to achieve the generation of quantum correlations and anti-correlations and entanglements of arbitrarily multiple optical fields via atomic spin wave. Next, we will study the quantum storage of the probe, Stokes, and anti-Stokes fields and optical nonlinear effects, and demonstrate that simultaneous storage and recover of multiple optical fields, and significant enhancement of nonlinear optical effects can be realized via EIT. The project provides a new and efficient way to further investigation on multipartite quantum correlations and storage, and may find potential application in quantum information processing, multi-channel quantum communications, and quantum network.

本课题利用电磁感应透明所产生的原子自旋波，从理论和实验上研究三个激光场（探测场、泵浦场和混频场）作用于铷85原子5S1/2(F=2)、(F=3)和5P1/2三能级而形成的3-∧和4-∧型能级系统中多光场的量子关联和存储效应。通过改变实验条件（铷泡温度、泵浦场光强或频率失谐），论证在该多能级系统中利用原子自旋波可实现多个Stokes和反Stokes场的量子关联与反关联,且原则上可拓展到任意多光场量子关联与反关联和纠缠的产生；其次,将对该能级系统中的探测场、Stokes和反Stokes场的量子存储特性及光学非线性增强效应进行研究，论证利用EIT可实现探测场、Stokes和反Stokes场的同时存储与再现以及非线性效应的显著增强。该课题为进一步研究多光场量子关联和存储提供了一种新的有效方案，可望在量子信息处理、多通道量子通信及量子网络等方面具有潜在的应用前景。

本课题利用电磁感应透明所产生的原子自旋波，研究了多个激光场（探测场、泵浦场和混频场）作用于铷85原子5S1/2(F=2)、(F=3)和5P1/2三能级而形成的多-∧型能级系统中多光场的量子关联与纠缠、量子信息处理及原子自旋压缩特性。通过求解海森堡方程及解海森堡-郎之万方程，推导出所产生的Stokes场和反Stokes场算符以及原子自旋算符的表达式，论证了在原子系综中利用电磁感应透明产生的原子自旋波可作为量子纠缠器来实现任意多非简并、窄带宽、量子关联与纠缠的光场，可作为一种通用量子信息处理器（量子态交换和量子存储）来实现可扩展量子通讯和量子网络，以及可实现原子自旋压缩的产生与调控；其次，通过求解海森堡-郎之万方程，推导出泵浦场和探测场作用于最简单、最基本的Λ型三能级原子系统其输出场算符及原子自旋算符的表达式，论证了随着泵浦场强度的增大、原子系综粒子数密度的增加以及较小范围内两低能级相干驰豫速率的增大将产生新的量子效应，即电磁诱导纠缠及电磁诱导自旋压缩。该课题为只利用相干光实现非简并、窄带宽的连续变量多光场纠缠、光场与原子纠缠的制备及原子自旋压缩的产生和调控提供了一种新的简便且有效的方案，可望在量子通信、量子网络、量子信息处理、量子相干调控及高精度原子物理测量等方面具有潜在的应用前景。