热原子系综中光场连续变量量子记忆

The quantum memory of continuous variable light field is one of the important content in the research of the quantum interface between the light and atom, it is paid particular attention in recent years. This project plans to carry out the experimental investigation on quantum state storage of continuous variable light field in hot atomic ensemble. By using the dynamic process of electromagnetically induced transparency (EIT) effect and far off-resonance Raman interaction the quadrature components of light field are mapped into atomic spin polarizations and stored in atomic ensemble. We will investigate the dependence of storage efficiency on the single-photon detuning and the intensity of coupling light;.By applying a guiding magnetic the quantization axis of interaction between light and atom is established to decrease the decoherence of atomic memory caused by magnetic fluctuations and prolong the storage life. We will use balanced homodyne detection to measure the quadrature components of revived light field, and research the influence of single-photon detuning in Raman interaction on noise of quadrature components; The fidelity of storage process is acquired by reconstructing the quantum state of revived light field. The goal of the project is to explore the optical quantum state memory in relative simple hot atomic ensemble, it will provide the foundation for practical quantum memory devices.

光场连续变量量子记忆是光与原子量子界面研究中的一个重要内容，近年来受到了人们的特别关注。本项目拟在热原子系综中开展光场连续变量量子态存储的实验研究。利用电磁感应透明效应和大失谐拉曼相互作用动力学过程将光场正交分量转化为原子自旋极化，存储在原子系综中；研究单光子失谐和耦合光光强对存储效率的影响；通过在原子系综中施加导向磁场，建立确定的量子化轴，减小因磁场起伏导致的原子记忆退相干，延长光场在热原子系综中的存储寿命；利用平衡零拍探测技术对恢复光场的正交分量进行测量，研究拉曼过程单光子失谐对光场正交分量起伏的影响；对恢复光场量子态进行重构，获得存储过程的保真度。本项目旨在探索利用装置相对简单的热原子系综进行光场量子态存储，为实用化的连续变量量子记忆装置提供基础。

光量子存储是量子信息处理领域的核心技术之一，本项目在热原子系综中开展了光场正交分量存储的实验研究。研究了磁场起伏引起的消相干对存储寿命的影响，通过外加导向磁场对杂散磁场进行抑制，将存储寿命提高到59微秒。在高光学厚度下研究了四波混频效应对探针光场的增强，在原子气室温度92℃时探针光的幅度增强为2倍，存储后恢复效率为70%。为了降低存储过程引进的额外噪声，我们在合适光学厚度（无明显四波混频）以及单光子大失谐条件下，研究了实验参数对存储效率的影响，获得存储效率25%。利用平衡零拍探测系统测量了恢复光场正交分量随本地光相位的分布，通过最大似然估计重构了恢复光场的密度矩阵，并计算了保真度。当输入脉冲平均光子数约为1时，恢复光场的保真度大于85%；恢复光场保真度随存储时间的增大而减小，这是由于原子自旋波退相干引起的。在完成预定研究目标的基础上，我们在冷原子系综中实现了长寿命高保真度的光量子存储，完成了光量子纠缠态的产生与存储，演示了存储光量子偏振比特的多（7）通道空间路由。我们还通过腔增强自发参量下转换过程产生了795nm窄带偏振纠缠光子对。这些工作将为混合型量子中继提供实验基础。. 围绕上述工作，共发表学术论文19篇，其中SCI论文9篇。培养博士研究生2名，硕士研究生6名。