自发参量下转换产生的偏振纠缠光子对长寿命量子存储

The generations of EPR entangled photons and their long-lived storages are an important tool for implementing long-distance quantum communications and large-scale quantum calculations. By using type-II spontaneous parametric down conversions in an optical cavity, the narrow-band polarization-entangled photon pairs can be generated. Using dynamic electromagnetic induced transparency (EIT) process, the polarization-entangled photons can be effectively stored in atomic ensembles and then the quantum entanglement between light and atoms or atoms and atoms has been realized. However, limited by decoherence induced by magnetic field noise, the storage lifetimes are several microseconds. Such short lifetime is an obstacle for achiving long-distance quantum communications and large-scale cluster entanglement states. This projection focus to achieve long-lived entanglements between two atomic memories. We will use dynamic EIT to store the narrow-band polarization-entangled photons generated from parametric down conversions into atomic ensembles and then realize the quantum entanglement memories. We will apply a moderate magnetic field to remove degeneracy of atomic Zeeman sublevels, make two states of a polarization qubit store into two magnetic-field-insensitive spin waves, respectively, and thus obtain millisecond entanglement memories. Based on this, we will next explore the entanglement storages in decoherence-free subspaces and achieve atomic memory entanglwmwnt with a more longer lifetime.

EPR纠缠光子的产生及其长寿命存储是进行长距离量子通讯和可扩展光量子计算的一个重要工具。通过光学腔内II-类参量下转换过程可产生出窄带偏振纠缠光子对。通过电磁感应透明（EIT）动力学过程能实现偏振纠缠光子在原子系综中的有效存储，进而实现光与原子或原子与原子间的量子纠缠。然而，由于磁场噪声导致的退相干效应，原子系综中的量子记忆寿命仅达到微秒量级。这种短的存储寿命成为长距离量子通讯和大尺度Cluster纠缠态产生的障碍。 本项目拟实现长寿命的量子纠缠记忆。 拟采用EIT动力学过程存储参量下转换产生的窄带偏振纠缠光子对,实现原子系综间的量子纠缠存储。通过施加一中等强度的磁场消除原子的Zeeman能级简并性，使偏振量子比特存储在两个磁不敏感自旋波上，获得毫秒量级的量子纠缠存储. 在此基础上，探索无退相干子空间量子纠缠存储,实现更长寿命的原子记忆量子纠缠。

EPR纠缠光子的产生及其长寿命存储是进行长距离量子通讯和可扩展光量子计算的一个重要工具。在项目支持下，我们利用冷原子中的“写”脉冲光激发的自发Raman散射过程进行了光与原子（自旋波）量子纠缠产生和长寿命存储的研究。（1）实验上，将“写”脉冲光与其产生的信号光子共线传输并选择磁不敏感跃迁存储自旋波，实现了光量子态长寿命（2 毫秒）的存储。在此基础上，选择合适的能级结构与“写”脉冲光作用，使自旋波偏振量子比特信息存储在磁不敏感和钟跃迁两个自旋波上，获得了长寿命的自旋波-光子纠缠存储。 对自旋波-光子纠缠态Bell不等式测量结果表明， 自旋波存储0.4毫秒后，仍然与写信号光子存在偏振纠缠。（2）在一个原子系综中采用“写”光激发原子，通过自发Ramam光散射过程产生了6个光-原子纠缠源，通过同时收集这6个纠缠源的散射光子并采用反馈控制读出的方法实现了6倍增的纠缠态制备。