量子相干反馈机制在原子系综级联四波混频体系中的量子调控机理研究

Feedback control is a very important concept in the development of modern science and technology. It has important applications in the fields of automatic control, communication technology, sensing and even life science. With the development of quantum science and technology, people have applied the concept of feedback to the quantum system and formed the concept of quantum feedback. In particular, the quantum coherent feedback with no need of measurement has been proved to be a very effective quantum manipulation method to improve the quantum optical quality of the system. On the other hand, our previous research works have shown that the cascaded four-wave mixing system in atomic ensemble has the characteristics of strong nonlinear interaction, light field spatial multimode and so on. It has unique advantages in the production of multiple beam quantum light source and the construction of quantum correlation interferometer. Therefore, in this proposal, we plan to combine the mechanism of quantum coherent feedback with the cascaded four-wave mixing system in atomic ensemble, and explore the quantum manipulation mechanism of quantum coherent feedback on the cascaded four-wave mixing system in atomic ensemble, especially in the production of multiple beam quantum light source and the construction of quantum correlation interferometer. Based on that, we finally aim to realize the novel generation device of multiple beam quantum light source based on quantum coherent feedback mechanism and to construct the quantum coherent feedback mechanism enhanced quantum correlation interferometer.

反馈控制是现代科学技术发展当中非常重要的一个概念，在自动控制、通讯技术、传感甚至生命科学等领域都有着重要的应用。随着量子科学技术的发展，人们已经把反馈的概念应用到了量子系统中，形成了量子反馈的概念。尤其是其中的无需测量的量子相干反馈已经被证明是提高系统量子光学品质的非常有效的量子调控手段。而另一方面我们的前期系列研究工作已经表明原子系综级联四波混频系统具有非线性相互作用强、光场空间多模等特性，在产生多光束量子光源和构建量子关联干涉仪方面具有独特的优势。因此在本项目中我们计划把量子相干反馈机制与原子系综级联四波混频系统有机结合，探究量子相干反馈机制对原子系综级联四波混频过程的量子调控机理，尤其是在产生多光束量子光源以及构建量子关联干涉仪方面的相关量子调控机理。在此基础上，最终实验实现基于量子相干反馈机制的新型多光束量子光源产生装置以及量子相干反馈机制增强的量子关联干涉仪。

把现代科学技术发展中非常重要的反馈概念应用于量子系统，形成了量子反馈的概念。其中无需测量的量子相干反馈是提高系统量子系统光学品质的非常有效的重要量子调控手段。我们前期已经发展了级联四波混频系统，并实现了多光束量子光源以及量子关联干涉仪。基于此，在本项目中我们把量子相干反馈机制与原子系综级联四波混频系统有机结合，探究了量子相干反馈机制对原子系综级联四波混频过程的量子调控机理，尤其是在产生多光束量子光源以及构建量子关联干涉仪方面的相关量子调控机理，具体开展了三个方面的研究。在量子相干反馈器件相关研究方面，突破传统的线性分束相干反馈器件，我们发展了两种非线性量子相干反馈器件，一种是低噪声相敏放大器，另外一种是低噪声非相敏放大器。基于这两种非线性量子相干反馈器件，我们实验实现了全光量子隐形传态、全光量子态转换机以及全光量子纠缠交换、全光最优化N到M量子克隆协议、高容量光学轨道角动量复用的量子密集编码。在量子相干反馈机制对原子系综级联四波混频过程产生多光束量子光源的调控机理相关研究方面，我们将量子相干反馈控制与级联四波混频过程相结合，构建出三种基于级联四波混频的相干反馈控制系统，并研究了其多光束量子关联调控机理；基于空间复用技术，提升了级联四波混频过程产生的量子光源的光束数量；基于光学轨道角动量复用技术，提升了四波混频过程产生的两光束、三光束量子光源以及量子网络的模式数量。在量子相干反馈机制对于基于原子系综级联四波混频过程的量子关联干涉仪的量子调控机理相关研究方面，我们提出了一种基于双端口反馈非简并光学参量放大的非线性量子关联干涉仪，研究了非线性量子关联干涉式表面等离子体共振传感器以及提出了利用非线性量子关联干涉仪实现量子随机相位估计。相关研究对于量子调控领域有着重要的基础科学和应用价值。项目执行期间总共培养毕业博士研究生8名，硕士研究生8名，博士后出站1人。培养的学生6人次获得国家奖学金，2人次获得中国光学学会王大珩高校学生光学奖，1人次获得“上海市优秀毕业生”，1人次获得上海市“超级博士后”激励计划，1人次获得上海市“扬帆计划”。本人获得上海市优秀学术带头人计划以及国家杰出青年科学基金资助。发表标注本基金资助的论文28篇，其中包括9篇Physical Review Letters，1篇Nature Communications，1篇Optica以及1篇PNAS.