基于冷原子载入空心光子晶体光纤的新型量子器件的前瞻性研究

本项目提出利用载入空心光子晶体光纤的冷原子作为研究介质，在实验和理论上探索准一维条件下光子和原子的相互作用等基础量子光学问题，为今后的量子存储和量子通信寻找新的物理机制和开发新型器件。我们将用暗磁光阱技术（dark MOT）捕获Rb-87冷原子，并进一步冷却至20微开。然后利用光偶极阱将冷原子装载到芯径8微米的空心光子晶体光纤中（光纤传输波段790nm-870nm）。和自由状态的冷原子相比，处于空心光纤中的冷原子沿光纤径向被强烈约束，构成一个原子和光子准一维相互作用体系。原子的自发发射等基本性质受到光纤内光场的调制，原子与光子相互作用的非线性效应大大增强，可以进行少数光子甚至单光子级别调控的量子存储的研究，并可以此为基础构成新型的量子光学和量子存储器件。本项目将推动冷原子物理，量子光学和量子信息学的进一步的发展，为下一代量子计算和量子存储器件打下基础。

经过3年的工作，我们建立了一套基于冷原子系综的量子存储实验装置，并在其上开展了一系列基于空心光子晶体光纤的原子装载实验和基于原子系综的量子存储实验。在此期间掌握了一系列关键技术，包括空心光纤的原子装载，窄带纠缠光与原子系综的频率锁定，窄带纠缠光的存储技术等等。将原子系综的光学厚度提高到50，使得我们可以获得更高效的存储；在辅助光阱的帮助下，我们装载入光子晶体光纤中的原子数目在10^3量级，轴向的光学厚度达到100。在量子存储方面，利用电磁感应透明技术分别将窄带纠缠光子中的单光子和纠缠光子对存储到原子系综中，并且保持相干时间达到2微秒，确定了窄带光子存储到原子系综中需要解除频率关联，实现了参量下转换光子与原子系综量子存储器的存储接口。我们对读出后的纠缠光子进行了Bell态测量，测量结果违背Bell不等式，证明了存储和读出过程的相干性和量子性。相应的结果分别发表在Nature Photonics和Physical Review Letters上。除此以外，我们还开展了基于超冷原子的量子模拟研究，在光阱中实现了玻色-爱因斯坦凝聚体，并且利用Raman耦合技术合成了人造规范势和自旋-轨道耦合。进一步的，我们利用集体模振荡的方法对自旋-轨道耦合的BEC基本性质进行了研究，得到了与单组份BEC截然不同的性质，相关成果发表在Physical Review Letters上。