量子相干介质中的多波混频及其在纠缠光制备中应用的理论研究

量子相干介质中由于能级跃迁通道间的相干引起的电磁感应透明效应能导致介质光学非线性效应极大增强，由此产生许多新的物理现象。本项目致力于利用相干驱动在耦合半导体量子阱结构中建立光学多波混频过程，讨论在共振和相位匹配条件下多波混频效率随系统参数的变化，实现多波混频信号在量子阱系统中共存；在冷原子和量子阱这两类相干介质中，利用多波混频非线性过程制备多模连续变量纠缠光；结合具体物理模型，获取不同的频率区域的连续变量纠缠光；通过对激光场的参数调制和对系统物理参数的选取，能够获取超慢光传输。这些现象的研究对介质的相干量子操纵、高精度非线性光谱学和量子信息等领域的发展都将产生深远的影响。

在相干光场的操控下，量子相干介质呈现出新颖的非线性光学特性，该非线性效应在高效光信息存储和提取、高效率的短波光源、连续变量纠缠光、量子信息器件等高新技术方面有广泛的应用。本项目在原子、半导体量子阱、分子磁体等量子相干介质中，研究强相干光场控制下的弱脉冲光场非线性光学效应。主要考察了双通道光学混频过程、自发辐射相干效应对脉冲光场群速色散和吸收现象、光学双稳态现象、纠缠态的制备、纠缠死亡现象以及利用量子相干操控实现对量子信息进行有效的处理。其具体研究成果有：（1）在微腔与分子磁体耦合系统方面，利用光学关联辐射激光过程研究了微波模式的纠缠特性：研究表明即使量子系统的耗散存在，在量子相干的作用下，明亮的、具有大量光子数的微波纠缠源可以产生,量子相干性在固态系统中的应用并获得多体间完全纠缠的研究发现对固态信息发展有一定的借鉴意义；此外，提出在近共振强耦合的三能级原子系统中，利用四波混频过程可以产生稳定的、高纯度的、窄频带的纠缠光源，对远距离的量子通讯有着重要的帮助。在此研究基础上，我们研究了多通道四波混频系统中多组份纠缠光的产生，这对多比特量子信息处理有着重要的应用；（2）在半导体量子阱系统中，详细考察了量子衰变相干对脉冲光场吸收与色散的影响，研究发现由于量子衰变相干的存在，系统的非线性效应显著增强，脉冲光场在介质中可以无吸收的传播，形成一个透明窗口。此外还发现，强的衰变相干使得脉冲光场在介质中传输的群速度减小，这种量子相干操控为光存储提供了理论依据。我们还在半导体量子阱体系中，考虑了自发辐射相干对光学双稳态的影响，得到了新奇的物理现象:有效地控制自发辐射相干，也能够获得光学双稳态并能改变它的阈值。（3）在Rydberg原子系统中，利用里德堡原子封锁效应和对原子的相干控制，实现了量子Deutsch-Jozsa算法，并对该算法做了改进，能够确定输入函数的值，为该算法的量子逻辑门搭建提供了理论依据。我们考虑了量子系统的耗散对量子纠缠的影响，用超代数方法研究了原子系统的耗散对对量子纠缠短期和长期影响，我们的这一方法已经被其他研究者使用到其他量子系统中，得到了很好的结果。另外在强耦合和弱耦合机制下，我们还考察了原子体系中的纠缠死亡和量子discord现象。