相干光驱动的超冷原子系综中光子流的动态量子调控

Based on the my previous work，this project is aimed at the further research on dynamical quantum manipulation of photons in cold atomic ensembles driven by coherent light fields. Using electromagnetically induced transparency (EIT), we extend the study on photon control technologies such as all-optically controlled photonic bandgaps (PBGs) and dynamically generated stationary light pulses (SLPs) so that more flexible quantum manipulation of photons is viable to achieve. For instance, our study will be expanded from the single-channel SLP to dual-channel SLPs. In this case, a greatly enhanced Kerr nonlinear effect can be attained between stationary and slowly-moving pulses, which may be explored to achieve controlled phase gates. Besides, breaking through the restriction that the frequency region of a PBG is always near the frequency of coupling lasers, we will investigate how to establish the ultraviolet PBGs with the visible light fields in cold Rydberg atoms, and consider in particular the dipole blockade effect. We will also try to realize the transition from semi-classical theory to full quantum theory by considering the case where cold atoms are placed in an optical cavity. This allows us to study the PBG and SLP technologies at the single-photon level and devise a few efficient schemes of quantum logic gates and quantum entanglement.

本项目旨在前期工作基础之上，对相干光驱动的超冷原子中光子的动态量子调控问题进行更深入的研究。利用电磁感应透明（EIT）现象，进一步拓展对在超冷原子系综中实现全光控制的光子带隙（PBG）和动态生成的静态光脉冲（SLP）等光子调控技术的研究，从而实现更为灵活多样的光量子调控。从传统的单信道SLP拓展到双信道SLP，然后分别对静态与动态的光脉冲之间或两对SLP之间的克尔非线性效应进行研究，从而实现受控相位门。突破原有PBG的频率区域要与耦合激光频率相当的限制，以可见激光耦合的里德堡原子系综为介质，利用里德堡能级寿命较长的特点，努力实现能对紫外光子进行有效控制的PBG技术，并特别考虑偶极封锁效应产生的影响。进一步将超冷原子系综放于微腔的环境中，从半经典理论向全量子理论过渡，研究在单光子水平的SLP和PBG技术，从而提供基础量子逻辑门和量子纠缠态的实现方案。

本项目主要研究了由相干光场驱动的超冷原子系综中的动态量子调控问题。基于电磁感应透明（EIT）效应，利用一些光子与原子相互作用现象，如动态生成的静态光脉冲（SLP）和全光可控的电磁诱导光子带隙（PBG）等等，实现一些更为灵活多样的光量子存储和调控技术。利用双Tripod冷原子系统，我们研究了双信道SLP的动态生成过程，从而实现了利用一对相向传播的强控制场动态控制双通道光量子的可逆存储，这可以将低噪声的非线性相互作用时间最大化，为量子操控提供高效的实现环境。在此基础上，对SLP的高效控制进行了研究，引用一个弱微波场耦合作为传统SLP模型的双Lambda型冷原子系综的两个低能级，从而实现对SLP的高效率调节。研究发现，调节这个弱微波场的相位和振幅能够影响两个低能级间的自旋相干，从而增强或者减弱由自旋相干产生的SLP的强度。在光量子的PBG调控方面，为了研发更多使用低频强激光调控高频弱光子流的光学元器件，如光子二极管和反射器等，研究了五能级类Lambda型冷铷原子系统，使用红外或者可见驻波相干激光场耦合系统激发原子光栅，并用紫外弱光对系统进行探测。通过对低频驻波激光场的适当调节，成功的获得了紫外光子的高阶PBG。这个理论结果将有助于指导高阶PBG的相关实验，并可用于开发一些新型的光子器件如光路由器和反射器等，将有助于量子信息处理和长距离全光网络的相关研究。此外，我们研究了同时使用两对相互垂直的驻波激光场耦合的Tripod型冷铷原子系统，从而获得了两个相互垂直方向的反射率可达95%以上的高反射带。这种二维PGB结构可用于实现二维全光开关和全光路由，有利于复杂的全光通讯网络的开发。我们将超冷原子系综放于微腔的环境中，构造原子辅助的光力学腔，从半经典理论向全量子理论过渡，研究在单光子水平的基于EIT光量子调控技术，从而实现了对光子流传播群速度的控制。