基于原子系综集体自旋激发增强的拉曼散射光谱

实现以原子系综为介质的光信息高效变换(包括频率转换、量子信息存储)是目前国际上量子光学、原子分子物理、量子信息科学等交叉领域研究的热点之一。它的实现在科学研究和实际应用两方面都具有极大的意义。在此背景下，本项目将在实验发现原子系综集体自旋激发能够增强拉曼转换效率的基础上，提出基于原子系综集体自旋激发增强的拉曼散射光谱理论研究。首先从理论上研究这增强型拉曼散射产生的物理机理，定量分析这增强型拉曼散射达到最高转换效率的实验条件，为实验研究提供相关的指导。然后理论上进一步研究利用集体自旋激发增强，实现泵浦光和散射光单光子水平频率转换的可能性，并且分析噪声、消相干等不利因素的影响。再然后基于这增强型拉曼机制，进一步探索研究相位信息量子存储。最后研究增强型拉曼散射在量子信息中的应用。本项目的研究成果不仅拓展了量子光学和量子信息领域的科学内容，而且开辟了基于原子系综与光场进行量子信息处理新技术途径。

本项目在项目组全体成员的刻苦努力工作以及前期的积累下，圆满并超额完成了本项目的整体计划任务，实现了预期目标。本项目共发表SCI论文 7 篇，其中在国际权威学术刊物Physical Review Letters 上发表论文 1 篇，国际一流物理刊物Physical Review A上 3 篇，Optical Express上 1 篇。围绕计划任务内容，针对原子系综集体自旋激发对实现光信息的高效频率转换、量子信息存储的理论进行了探索和研究，理论上首先完成了基于原子系综的自旋波（集体自旋激发）增强的拉曼散射机理的探索，以及基于原子系综增强的新型相位存储理论方案以及基于混合原子系综的单光子的频率纠缠态。然后进一步研究分析了自旋波的相位与斯托克斯光场的相位之间的关联，利用光子-原子间的关联完成了关联增强拉曼散射的理论，并且基于此关联提出了光子-原子间的双模压缩度和纠缠度实现相干放大的理论。