倒Y型冷原子系统中基于量子干涉的Kerr非线性增强

The third-order nonlinear effect, including cross-phase modulation (XPM) and self-phase modulation (SPM), is an important optical nonlinear effect. The nonlinearity of optical medium is a significant physical process which has application of all-optical communication, quantum logic computation and quantum information process. Our project aiming at achieving double channel slow light in the inverted-Y type EIT atomic system, and coherently controlling the transmission and interaction between double slow light pulses. The major contents of the subject are: 1) The theoretical and experimental research on double channel slow light and group velocity matching, and the enhancement of Kerr nonlinearity in the inverted-Y cold atomic system; 2) Achieving XPM phase shift of order π in weak field condition by improving the optical depth of medium; 3) Generation of temporal soliton by manipulating the SPM, XPM and dispersion properties in the inverted-Y type cold atomic system. The enhancement of Kerr nonlinearity based on quantum interference in such scheme can play an important role in the quantum logic computation and quantum information process areas.

三阶Kerr非线性效应是一种重要的非线性光学效应。它包括交叉相位调制（XPM）效应和自相位调制（SPM）效应。光学介质的非线性效应是实现全光通讯、量子计算及量子信息处理的一个重要物理过程。本项目针对倒Y（inverted-Y）型电磁感应透明（EIT）原子系统，研究如何实现双通道光脉冲传播速度的减慢，以及如何对双通道光脉冲的传输和相互作用加以相干控制。主要研究内容是：以量子干涉效应为基础，在倒Y型结构冷原子系综中开展：1）双通道光速减慢及群速度匹配，从而增强系统三阶Kerr非线性的理论和实验研究；2）通过提高冷原子介质光学深度获得弱光水平下π量级的交叉相位调制相移（XPS）；3）调谐系统内增强的交叉Kerr非线性、自Kerr非线性的比率及色散特性，形成时间光孤子。这些研究结果将深化人们对量子干涉原子系统中非线性特性的认识，在以光子和原子作为载体的量子计算和量子信息科学中有所应用。

项目组在四能级双Ξ型原子系统中研究以两个驻波场耦合亚稳态和同一激发态产生光子带隙结构。中间能级向基态自发辐射的两个通道之间的量子干涉使探测场的线性吸收被完全抑制，当控制场为强度空间周期变化的驻波时，介质的吸收和折射率也随之周期调制，探测场就像在一维光子晶体中传输一样，当驻波场远离共振或共振时，分别得到单一或两个光子带隙。利用自发辐射相干产生的低吸收、高非线性特性，理论计算表明产生光子带隙结构的机理是探测场和控制场间的三阶交叉Kerr非线性调制，区别于以往的线性调制。建立了一维远失谐光学晶格，采用1064nm多模30W连续光纤激光器，搭建了一个周期为25µm的一维远失谐光学晶格势场。对铷原子进行磁光阱装载和偏振梯度冷却，实现了铷冷原子团在光晶格中的装载。借助于短程飞行时间法，测量晶格中冷原子温度为20µK。为今后验证矢量光孤子在传输、碰撞等方面的特性奠定了实验基础。