铷原子中基于光子回声协议的量子信息存储

Quantum coherence and interference between light and a collective ensemble of atoms.play an important role in optical information processing and quantum communication. In this project,we propose several quantum optical memory protocols using modified photon echoes schemes in rubidium atomic system, where the quantum storage time can be extended by several orders of magnitude from spin phase decay time to spin population decay time. The research work of this project has many potential applications in optical communication,quantum information processing and quantum computer.

基于量子相干效应的光速调控和光量子信息存储，在光通讯、量子信息处理和量子计算等领域有着重要的应用价值。目前量子信息存储的时间较短，限制了长距离量子通信的发展。本项目将以铷原子为研究介质，开展基于光子回声协议的量子信息存储的理论和实验研究。主要研究内容是：建立分析铷原子中基于光子回声协议的量子信息存储和提取的动力学理论，研究其中的物理机制，以得到清晰和完整的物理图像；在此基础上，研究两脉冲和三脉冲光子回声协议模型下的量子信息存储，并进行数值模拟，分析各种参数对量子信息存储时间的影响；比较不同光子回声协议下量子信息存储的优缺点，分析如何获得长的存储时间，以便应用于长距离的量子通信领域中。

长距离的量子通信需要利用量子中继器，而量子中继器的核心部件是光量子信息储存。为此本项目致力于研究基于光子回声的量子信息存储，以期得到较长的信息存储时间。在本项目三年执行期间，我们首先利用瞬态相干作用的基本理论对二能级原子系统中的两脉冲光子回声展开细致研究，通过解析求解，用布洛赫矢量随时间变化的物理图像直观地描述了光子回声产生的物理机制。在此基础上，用布洛赫-麦克斯韦方程对三能级的三脉冲光子回声进行了理论计算和数值模拟，对此过程中的量子信息存储和提取的动力学过程有了比较显性的认识。为了得到较长的量子信息存储时间，需要在三脉冲的基础上加入双重相位再匹配脉冲以实现无粒子数反转的光子回声模型，数值模拟了此模型的量子信息存储过程，计算了此过程中密度矩阵各个分量的变化，讨论了其原因，分析了各参量变化对信息存储的影响。此外，对多能级原子系统中一些量子相干现象和利用原子自旋相干及电磁感应光透明实现光脉冲的量子信息存储进行了研究。这些工作为将来进一步的量子信息处理和量子通信研究打下了坚实的基础。