弱光的高阶非线性效应增强及其应用研究

弱光的非线性效应突破了传统光学对光场强度和频率范围的限制，在弱信号监测、光子器件制备和量子信息处理等方面有着重要的应用前景。近年来研究表明电磁诱导透明（EIT）技术可以克服传统非线性光学的困难，在共振条件下实现弱光的非线性增强。本项目将围绕多模EIT介质中弱光的高阶非线性效应开展以下几个方面的工作：1、针对囚禁原子系统，提出能完美匹配多个光场群速度的多模EIT理论模型，从而克服传统的单模EIT介质中群速度不匹配的瓶颈效应。2、揭示多模EIT介质中弱光的高阶非线性效应，实现弱光高阶非线性效应的显著增强，探索非线性效应对弱光的传播特性的影响。3、提出利用弱光的高阶非线性效应进行量子资源（包括量子纠缠和量子逻辑门）的制备以及量子信息存储和转移的方案。该项目的研究处于量子光学、非线性光学与量子信息学等诸多学科的交叉领域，将会对这些学科进一步全面、深入和协调发展产生积极的推动作用。

本项目的主要研究成果包括：（1）提出了一种三模电磁诱导透明模型，其中有三束弱光同时处于电磁诱导透明状态。通过计算宏观复极化率和三束弱光的群速度，发现弱光之间的高阶非线性效应会显著增强。（2）研究了三模电磁诱导透明系统中弱光的高阶非线性相互作用；提出了基于高阶非线性效应的多量子比特光子逻辑门的制备方案。（3）研究了非线性效应对弱光传播特性的影响。通过计算弱探测光场在介质中的透射函数和一阶夫琅禾费衍射强度，研究了基于N型四能级原子的电磁诱导光栅介质中弱探测光场的夫琅禾费衍射。