基于冷原子系综的超纠缠窄线宽光子对的研究

纠缠光子对的产生不但是量子光学领域的基础课题，同时也在量子通信和量子计算等方向有极其重要的应用。特别是基于量子存储的长距离量子通信(如DLCZ方案)，以及分布式量子计算和量子网络的物理实现基础都是纠缠光子对。但是以原子系综为代表的量子存储只能存储线宽为MHz量级的光子（铷原子～6MHz），而传统的参量下转换产生的纠缠光子对由于线宽太宽（～THz）不能满足要求，因此窄线宽纠缠光子对的产生成为当前的热点问题。本项目拟利用四波混频和慢光技术在冷原子系综中高效率地产生超纠缠（偏振、时间和频率同时纠缠）窄线宽光子对，具体研究内容包括：（1）利用二维磁光阱来囚禁大光学厚度冷原子团；（2）利用非同轴四波混频在冷原子系综中产生时间频率纠缠窄线宽光子对；（3）利用不同空间模式光子对的叠加来得到超纠缠窄线宽光子对。本项目的实施，将为长距离量子通信、分布式量子计算以及量子网络的发展提供支撑。

量子网络可应用于分布式量子计算、远距离量子通信和量子模拟，是当前量子信息研究的热点课题。实验实现量子网络的三个关键技术之一便是亚自然线宽偏振纠缠光子对的产生。偏振纠缠光子对是量子网络中最好的飞行比特，但目前产生偏振纠缠光子对主要采用非线性晶体参量下转换的方法，其产生的偏振纠缠光子对线宽很宽，没有办法实现量子网络所需的光与原子之间高效率的量子态转换。斯坦福大学Harris研究组利用四波混频在冷原子系踪中成功实现了窄线宽纠缠光子对的产生，但由于非极化原子电磁诱导透明的偏振选择性而导致所产生光子对偏振不能选择，因此很难产生窄线宽偏振纠缠光子对。本项目的主要研究目标就是要实现亚自然线宽偏振纠缠光子对的产生，解决量子网络的一个关键技术问题。. 本项目征对上诉研究目标开展研究，成功实现了亚自然线宽偏振纠缠光子对的产生，完成了本项目的各项任务。取得的主要成果如下：（1）实现实现大光学厚度冷原子团（0D>60）;实验实现窄线宽时间频率纠缠光子对的产生，相干时间达到1微秒，亮度达到105s-1[Chin. Phys. Lett. 31, 034205(2014)]；（2）实验实现亚自然线宽偏振、时间和频率同时纠缠的光子对，相干时间达到1微秒，亮度达到105s-1[Phys. Rev. Lett. 112, 243602 (2014)]；（3）成功产生预告式窄线宽单光子，并利用经典分束器成功实现了单光子量子延迟实验，在单光子时域波包同时观察到了光子的波动性和粒子性[arXiv:1412.1549]。. 已发表SCI论文11篇，其中Phys. Rev. Lett.1篇，Phys. Rev. A 7篇， Appl. Phys. Lett. 1篇；国际、国内会议论文3篇，均为邀请报告。