基于非线性六波混频过程直接产生量子关联三光子的实验研究

Photon pairs with nonclassical correlation are important resource in quantum information. The most widespread technique for generation of photon pairs is the spontaneous parametric down conversion (SPDC) in nonlinear crystal. However, the wideband linewidth of the SPDC biphotons, roughly about hundreds of GHz, limits their application in long-distance quantum communication and quantum network. In order to solve this problem, the spontaneous parametric four-wave mixing in atomic medium is proposed and realized to generate narrowband biphotons. With the development of quantum optics, it has been a longstanding goal to realize a source that can produce analogous correlations in photon triplets. In this project, based on our research foundation, without post-selection and cascaded nonlinear process, we propose to generate photon triplets with narrowband linewidth and long coherence time directly by using a single spontaneous parametric six-wave mixing in atomic vapor assisted with the electromagnetically-induced transparency. Then we will shape the temporal waveform of photon triplets by modulating classical coupling and pumping fields in six-wave mixing process to generate nonclassical photon triplets with arbitrary waveform.

非经典关联光子对是量子信息科学中的重要光源，产生该光源的常用办法是利用非线性晶体中的自发参量下转换过程。但是，通过该过程产生的光子对并不能直接用于长距离量子通信和基于光与原子相互作用的量子网络，因为原子介质的自然线宽为MHz量级，而光子对的线宽为几百GHz。为了解决该问题，人们提出了利用原子介质中的自发参量四波混频过程产生非经典关联光子对的方案并在实验上得到了实现。随着量子光学领域的迅猛发展，多组份纠缠在量子信息方案中扮演越来越重要的角色，如何直接产生窄带的多光子量子关联或多组份纠缠一直是具有挑战性的研究课题。本项目基于我们的研究基础，不使用级联和后选择方法，研究在热的铷原子介质中通过电磁感应透明技术辅助的一个六波混频过程直接产生窄带并且具有时间-频率量子关联特性的三光子源，然后通过调控耦合场、泵浦场的时域及空间模式等经典信息实现对三光子量子关联函数的调控，以产生任意波形的三光子量子关联。

随着量子信息、量子计算及量子精密测量的发展，对量子纠缠光源的研究实现了从双光子到多光子、从二维到高维、从单个自由度到多个自由度、从高斯基模到空间高阶模式的不断拓展，取得了一系列的重要进展。如何直接产生多光子量子纠缠一直是一项具有挑战性的研究课题。该项目在铷原子系统中基于自发六波混频过程，利用电磁感应透明技术，研究了量子关联三光子的产生。在此基础上，考虑到多光子多自由度纠缠源在量子技术中的重要应用，进一步开展了结构光场调控的研究。在铷原子系统中，基于四波混频过程，采用Sagnac干涉仪的结构，实现了矢量光场的频率变换；基于交叉相位调制效应，研究了矢量光场在铷原子介质中传输时产生的偏振旋转和光束可控分裂现象；提出了矢量光场偏振分布的非破坏性测量方案。这些研究在产生多光子多自由度纠缠源方面具有重要的参考价值。此外，我们基于非线性干涉仪开展了利用轨道角动量光束实现角位移高精度测量的理论研究，并对非厄米系统中量子干涉的调控进行了理论研究，提供了量子纠缠源可能的应用场景。