腔QED系统中弱光条件下的无相互作用全光开关的实验研究

Based on the need for all-optical switches with high efficiency and high speed in practical all-optical communication networks and quantum information processing, in this application we propose a new scheme of interaction-free all-optical switching, in which the realization of the signal light switching by the weak control light will be studied combining the atomic coherence and interference in the cavity QED system and the technique of interaction-free measurement. The interaction-free all-optical switch can effectively eliminate the photon loss caused by the nonlinear coupling between the signal light and the control light，which is helpful for obtaining much higher switching efficiency. It also can prevent the decoherence of quantum states induced by photons coupling, and preserve the quantum state being switched, when being applied in the quantum information area.We plan to experimentally study the switching efficiency, the switching time and the pulse distortion of the signal light that is switched by the weak control light, under the condition of the strong coupling between cold atoms and the single cavity mode.The project can be easily extended to the all-optical transistor, quantum phase gates, and etc.,which may further pave the way for the development of the practical all-optical quantum devices.

本申请项目针对全光通信网络和量子信息处理中对于高效、高速全光开关的需求，提出一种新的无相互作用全光开关方案。该方案结合腔QED系统中的原子相干和量子干涉效应，使用无相互作用测量技术实现弱的控制光对信号光的快速开关。无相互作用全光开关能有效抑制由于控制光和信号光的非线性耦合造成的系统光子损耗，有利于高的开关效率的获得。将其应用于量子信息领域，可以有效地减少由于光子耦合作用引起的量子态退相干。本项目拟在冷原子和腔场的强耦合体系中，实验研究弱的控制光对信号光的开关，探索实现高开关效率和高开关速度的途径，以及研究开关过程对信号光脉冲波形的影响。本项目研究的体系可以进一步拓展至全光晶体管和量子相位门的研究，推进实用化的全光量子器件的发展。

低功耗、高效、高速全光开关是全光通信网络和量子信息处理中亟待发展的技术。全光开关的实现难点在于通常情况下光子和光子之间相互作用极其微弱，以及控制光和信号光之间的耦合损耗问题。本项目提出的腔QED系统中的无相互作用全光开关的研究，利用冷原子和腔的强耦合作用实现弱光对信号光的开关操作，并能有效抑制由于控制光和信号光的非线性耦合造成的系统光子损耗，因此能够有效地减少控制光和信号光之间的耦合损耗。本项目按照研究计划开展研究，取得一系列研究成果：在腔QED系统中实现冷原子系综和腔的强耦合区域，通过自由空间的控制光诱导原子-腔耦合系统中量子相消干涉，从而实现了弱的控制光对信号光的快速开关。实验研究了腔模耦合V型能级原子的Fano量子干涉现象，获得了具有不对称的Fano线型的腔输出谱线。实验研究了腔模耦合三能级原子的原子-腔极化子态的相干控制，将全光开关的研究拓展至多通道情形。提出了双面输入腔QED系统的光学双稳态的非线性调控方案，腔的输入-输出关系出现两个独立可控的光学双稳区域。本项目的开展渴望为全光开关的实用化研究提供推动作用。