非经典光与冷原子系综的量子态转换研究

Quantum state transfer between light and atoms is at the heart of modern quantum optics. On one hand, this problem puts the physics picture on quantum world even clearer; on the other hand, it is the key for the application of quantum information processing and quantum communication. Morden standard experimental systems, hot atomic ensembles, have been making remarkable achevements. However, there still exists non-negligible techinical difficulties, e.g.,short atomic coherence time and quantum state transfer at the low-light level. Hence actual experiments usually do not demonstrate the application for nonclassical single photons in Fock state. Therefore this project aims to solve these problems by introducing cold atomic systems into the quantum optics community, and shows the incomparable advantage of cold atomic systems while dealing with nonclassical light source. For cold atomic ensemble, one disadvantage that people usually care about is the low optical depth. In this project, we could achieve high optical depth condition when combining two-dimensional magneto-optical trap and "DSPOT" technique. In the optical thick cold atom cloud, atomic spin waves can survive even longer. Therefore, the stimulated Raman process enhanced by the atomic-spin-wave seed built inside the atomic ensembe can efficiently transfer quantum states between photons and atoms. With the more ideal medium- - -cold atomic ensemble, this project not only enrich fundamental physical picture but also provide a new approach for quantum communication technology.

光与原子间的相互作用和量子态转换是现今量子光学的中心问题。它把量子物理的本质探讨继续推前的同时,更是量子信息处理、量子通信等前沿学科走向实际应用的关键问题。现今比较普遍的实验系统热原子虽然已经取得很大的进展，但是还是存在不少需要攻克的技术难题，如原子相干时间短、在弱光水平上的量子态转换等。因此包括单光子在内的非经典光则不能在热原子系统中得以实际运用。针对这个问题，本项目利用冷原子系统作为原子系综，因冷原子在处理非经典光上存在不可比拟的优点。而且，本项目利用二维磁光阱和"暗斑"的前沿冷原子技术解决以往人们认为冷原子团光学密度小的弱点。在高光学密度的冷原子团中，原子自旋波更能长时间存在于系综中，继而利用原子团中预先制备的原子自旋波激发的拉曼过程可实现光子与原子量子态的高效转换。本项目采用更接近理想介质的冷原子系综，不仅旨在深入探讨量子物理基础问题，而且为量子通信技术的发展提供新的途径。

光与原子间的相互作用是量子光学、量子信息处理、量子通讯的中心问题。现今在国内外比较普遍的介质系统有固体材料、热原子、冷原子系综等。虽然已经取得很大的进展，但量子态的转换效率还有待提高。本项目利用冷原子系综为介质，因考虑到冷原子具有非常窄的吸收能级线宽、可忽略多普勒效应等特点，其在处理非经典光上存在不可比拟的优点。但是冷原子系综在实验研究中普遍存在原子密度、总数的技术瓶颈，因此在量子信息、通讯等实际应用领域中的发展受到限制。项目的主要研究内容是通过二维磁光阱和暗斑DSPOT等激光冷却和囚禁技术，提高冷原子系综的光学厚度，从而提高原子和光的相互作用强度和量子态的转换效率。重要结果包括：（1）我们研究了系统的光学厚度在不同的实验占空比条件下得到的变化曲线。在占空比为10%时，光学厚度能达到264。（2）通过观测非经典光子对，斯托克斯光子和反斯托克斯光子，我们在强泵浦激发的条件下得到反斯托克斯光场的回复效率能达到40%。结果表明，这是由电磁诱导透射EIT的耦合光光强、原子系综光学厚度以及原子系综的退相干系数共同决定；（3）在低激发水平下，我们得到Fock态单光子态。当耦合光光场的拉比振荡频率各为4.2倍、1.7倍的激发态衰减系数时，光子对的符合计数（即光场的互关联系数）呈现一个近长方形形状。这是由于电磁诱导透射效应对反斯托克斯光子有慢光减速的作用。我们通过提高原子的光学厚度和降低退相干系数来提高光子回复效率，得到相干时间为2.34微秒的非经典光子对。此结果是现在国际上的最好记录。二维磁光阱暗斑技术非常有利于在不降低占空比的情况下提高冷原子系综的光学厚度，对量子光学实验研究，对量子信息和通讯技术具有潜在的应用价值。另外，在此平台上实现的超长相干时间的非经典光子对能有效应用在非经典光的时域调节和操控上，在量子信息和量子通讯中将有重要的应用前景。