低光功率下基于相干量子调控技术的高效光与原子相互作用

At low light intensity, the efficient interaction between light and atoms is a long-standing goal of quantum optics research. It is widely used for generation and storage of single-photon source, all optical switch, quantum repeater and so on. However, the nonlinear coefficient between the weak light field and atoms is very low and hard to be solve. The low nonlinear coefficient limits the development of quantum information and quantum measurement research. The related research attracts the attention of numerous scientific researchers. Based on the quantum optics experience of the applicant and the participants, we propose a new experimental scheme using coherent quantum manipulation technology. By preparing the quantum correlated light field and atomic spin wave, the quantum correlation and coherent feedback mechanism can improve the interaction coefficient between light field and atoms at low power intensity. At the same time, the scheme also reduces the noise level of signal light field and cleans up the spatial modes of the signal light field. The results of the program provide a practical and feasible new method to solve the problem and develop some experimental technology.

实现低功率下光与原子高效相互作用一直是量子光学研究的长远目标，它被广泛的用于单光子源的制备和存储、全光开关、量子中继器等研究。然而弱光下光与原子的相互作用非线性系数非常低，使得相关研究成为这些领域的难点问题，限制着量子信息和量子测量研究的发展，受到众多科研学者的关注。本项目针对这一问题，结合申请人及参与人在相关方向的理论和实验研究上的经验积累，运用相干量子调控技术提出了新型有效的实验方案。其原理是通过在原子系综中制备具有量子关联的光场和原子态，利用这个光子-原子量子关联以及相干反馈机制来提高低功率下光场与原子非线性相互作用的强度，从而提高光与原子相互作用系数，并且可以降低作用过程中产生的信号光的噪声水平和限制信号光场的空间模式。本项目的研究成果为低功率下的非线性相互作用提供了一种切实可行的新思路和方法，发展了一些新的实验技术。

光与原子分子等物质的相互作用一直是原子分子物理、量子光学和量子信息等领域研究的热点，它对于量子态的制备、操控和读取等研究有着极其重要的意义。然而量子光学实验中不得不面对的一个问题是如何有效的调控光与原子分子等物质的相互作用过程，实现高效的低噪声的相互作用和量子态之间有效的相互转化。本项目主要针对这个热点，深入开展了一系列的理论和实验研究工作，主要包括：理论上利用速率方程模型研究了激光与物质的相互作用，揭示了其动力学过程以及粒子数在各有关能级上的布居。基于理论模拟的结果，实验上利用超短激光脉冲序列代替传统的长方波脉冲调控光与量子系统相互作用，实现了固态自旋量子系统电子自旋和核自旋的高效极化，让电子自旋态的极化度提高了10%，三比特自旋量子态的极化度达到96.8%。通过调控光与原子相互作用过程中注入斯托克斯种子光场时间模式为本征模式，从而可以实现高效低噪声的光与原子相互作用，产生斯托克斯信号光场的强度噪声降低8.3dB，信号光场和原子自旋波的强度差噪声降低14.0dB。并发展了新型自旋量子态重构方法，将连续变量量子态重构的Wigner函数应用于自旋量子态重构，实现了电子自旋态的量子态重构。本项目开展的系列研究工作极大的推动了光与原子高效相互作用的研究。通过调控光场和原子分子物质的相互作用，极大的改进了量子信息实验中的量子态制备，量子态重构过程，实现了高效低噪声的光与原子分子相互作用。本项目发展的理论方法和实验技术会对量子光学和量子信息实验有着重要的推动作用，助力量子信息技术实用化。