用于铯原子量子节点的非经典量子态的制备、操控及应用研究

The quantum network, which consists of quantum nodes and channels, needs the atoms to be used as quantum nodes to process and store quantum states locally and the quantum state or quantum entanglement to link the separated nodes for the exchange of quantum information. Therefore, in order to fulfill a quantum network, one important step is to prepare and manipulate the quantum state, and thereafter to transfer and process the quantum information. This project aims to prepare and manipulate the continuous wave nonclassical state, whose wavelength is on the transition of quantum nodes, and furthermore, to study the efficient coupling between quantum channels and quantum nodes. On the basis of this study, the correlation and quantum information exchange between quantum nodes will be investigated. It includes: the enhancement of nonlinear via quantum coherence in multilevel system will be experimentally and theoretically studied; quantum nonclassical and entanglement state will be prepared for D1 line of Cs atom; the transformation and manipulation of quantum information between nodes will be developed.

量子信息网络由量子节点和连接节点的量子传输通道二部分所组成。量子节点也即量子存储单元是由原子系综或单个原子实现，用以存储和处理量子信息，而量子传输通道用来在节点间传输用作量子信息载体的任意量子态或量子纠缠。为此，实现量子网络的一个重要环节是制备和操控量子态，实现在量子节点之间量子信息的有效传输与处理。该项目拟通过量子相干效应研究与原子节点耦合波长相对应的连续变量量子非经典态和量子纠缠态的制备及其操控机理，并研究量子通道与原子节点之间有效耦合过程。在此基础上，研究节点与节点之间关联及其量子信息传输的基本物理问题。具体内容包括：实验和理论研究在多能级铯原子系统中原子相干性对多波混频非线性效应的增强；利用原子介质的非线性，制备在铯原子D1线非附近的非经典压缩以及二光束以上的量子纠缠；探索多节点之间量子信息的传输和操控功能。

量子信息网络由量子节点和连接节点的量子传输通道二部分所组成。量子节点用来处理和存储量子信息，由固态物质如原子实现，而量子传输通道用来在量子节点之间传输量子信息，由传播速度快的光或光场量子态实现。量子网络的一个重要环节是建立基于量子节点和量子传输通道的量子界面，它需要制备在原子吸收线的光场量子态或纠缠态，用以实现量子节点之间信息的网络传输与处理。该项目通过光与铯原子的非线性相互作用，实现了对原子的非线性操控，从而实现了原子对作用场的量子行为的操控，制备了与铯原子吸收线相匹配的双光束量子纠缠态以及多光束纠缠态，并将量子行为操控应用于高精度光谱检测中，实现了量子噪声的灵敏检测。并进一步研究了在驻波场作用下的非线性原子介质中，介质的吸收和折射率的周期性调制所产生的周期性微结构特性及其对光场传输特性的有效操控，实现了原子介质在光场操控下具有的全光光学二极管功能，这一器件是实现量子网络的重要器件之一。