铯原子系统中高阶模量子纠缠光束的制备及其应用研究

A series of progresses have been made in the research on quantum entanglements (the key resources for quantum network), e.g. from discrete variables to continuous variables, from two partite to multi partite, from one color to multi colors, and from single mode to high-order mode. The entanglement of High-order transverse modes can provide not only spatial quantum correlation, but also the hyper-entanglement in the spin and orbital degrees. Therefore it can be used in spatial information transmission, ultra-high quantum image and precision measurement, and larger capacity quantum dense coding. In this project, we will invesitigate the preparation and manipulation of patial quantum correlation and entanglement at Cs D1 line between high-order transverse modes via atomic coherence and enhanced nonlinear in Cs atoms. Furthermore, the development of the relation between quantum correlation and quantum entanglement or quantum discord will be done. The applications of high-order-mode entanglement in quantum information tansfer on light-atom interface, spatial quantum memory, Goos-Hanchen shift et. al. will be investigated.

随着量子光学与量子信息的发展，对作为量子通信网络的重要光源之一的量子纠缠态的研究，也取得了一系列进展，如：从分离变量发展到连续变量、从双模到多模、从单色到多色以及从单横模到高阶模等。高阶模量子纠缠既可以提供空间上的量子关联特性，也可以实现轨道与自旋角动量的多维超纠缠，因此在空间信息传输、超高精度量子成像与测量以及高容量量子密集编码等领域有重要应用。该项目拟在铯原子介质中，研究基于原子相干效应和原子非线性效应实现高阶横模光场之间的空间量子关联，获得与铯原子D1吸收线相对应的多组份高阶模量子纠缠的制备与操控。与此同时，对量子关联与量子纠缠和量子失协的基本问题开展相关研究。在此基础上，尝试利用高阶模量子纠缠进行光子-原子量子界面的量子信息的有效转换、空间量子存储、光子-原子界面Goos-Hanchen位移检测等方面的应用研究。

随着量子光学、量子信息以及量子通信网络的发展，量子纠缠光源的研究取得一系列进展，实现了从双模到多模、单色到多色、单横模到高阶模等的研究拓展。高阶模量子纠缠既可提供空间量子关联特性，也可以实现轨道与自旋角动量的多维超纠缠，因此在空间信息传输、超高精度量子成像与测量以及高容量量子密集编码等领域有重要应用。该项目在铯原子系统中利用作用场的相位关联，实现了量子相干效应的增强与有效操控，为高阶模纠缠的制备与操控奠定了良好基础。基于此，利用高阶模关联特性实现了不同空间模的直接量子通信和空间分离成像与测量的原理性实验。并进一步在铯原子系统中，通过操控作用场之间的相位关联，实现了在动量空间的可调二维光晶格结构的制备，及其所具有的拓扑手性特性的测量。与此同时，利用原子在Zeeman子能级系统中对耦合场偏振的选择激发效应，得到了原子折射率的各向异性特性，从而使线偏振探针光发生左旋和右旋光分量的相反位移偏移即光子自旋霍尔效应，这一效应具有角向和空间位移分离，用于极大增强Goos–Hänchen (GH) 位移的产生与检测。