利用原子相干调控技术提升光存储器的存储时间和效率

Optical quantum memory is essential for the development of distributed quantum computation and long-distance quantum communication. The phenomena of light slowing and light storage based on electromagnetically induced transparency have been observed in some kinds of atomic ensembles. For practical applications, the performances of optical quantum memory still should be improved significantly, especially the storage time and the storage efficiency. This research project is intended to find how to improve the performance of the optical memory by atomic coherent control and experimentally demonstrate it in warm rubidium vapour. The coherence control involved in this project mainly contains two different ways. One is spin-echo protocol, which aims to suppress the decoherence and extend the light storage time in rubidium vapour to several milliseconds. The other is to improve the storage efficiency by adjusting the phase of an additional weak field connecting the lower energy levels. We expect that the storage efficiency can exceed 30% without using iterative optimization. In addition, for the precise coherent control, we plan to transplant some control techniques of nuclear magnetic resonance spectroscopy, such as the chirped adiabatic pulse, the composite pulse and the optimally searched pulse.

光量子存储技术的发展对分布式量子计算和长程量子通讯具有十分重要的意义。基于电磁诱导透明效应的光减速和光存储现象已经在多种原子系综中得到了实验验证，然而量子存储器步入可实用阶段，还需要在存储时间和存储效率这两个性能指标上获得大幅提升。本课题旨在探索原子相干调控影响原子光存储器性能的机理，并利用热铷原子气体进行实验演示。本课题的研究内容主要包含两种不同的相干调控方式，一方面通过自旋回波技术实现退相干抑制，预期将热原子系综的光存储时间提升至毫秒量级，另一方面在光存储期间，通过调节低能级间共振耦合场的相位，在不使用迭代优化的情况下，预期将热原子系综的存储效率提升至30%以上。此外，本课题将移植核磁共振中的啁啾绝热脉冲、组合脉冲以及最优脉冲搜索等控制技术，实现原子相干的精确调控。

基于原子与光相互作用的原子精密测量技术是当前研究的热点。热原子磁力仪是其中的典型代表，它在生物医学，地球和空间物理，工业探伤等领域都有重要的实际应用价值。. 原子磁力仪利用原子能级间的相干与外界磁场之间的耦合，来实现对外磁场的精密测量。因而，量子相干是实现原子磁力仪的基础。利用核磁共振量子处理器，我们在实验中实现了基于鲁棒性的量子相干的直接度量，验证了量子相干的可观测性和可操作性。为了更全面对量子系统进行刻画，我们对多种重要的量子信道进行了详细的理论分析，进而得到了酉信道的可达集边界，并证明了对多个酉信道进行非相干混合的方式无法扩展这个边界。基于此，我们解决了最优混合酉信道的问题。利用核磁共振系统，我们对这些理论结果进行了实验演示和验证，并利用系统的弛豫过程实现了酉信道态边界的突破。在原子磁力仪的研究中，我们引入频率锁定工作模式，实现了1万纳特突变的快速响应，并且在1000纳特至10000纳特区间均可正常工作。该类型磁力仪对于野外及空间磁场精密测量具有重要的实际应用意义。我们对一种基于椭圆偏振光的原子磁力仪进行理论和实验研究，在45℃下，该磁力仪达 0.3pT/sqrt(Hz)；在室温条件下，该磁力仪达到0.69pT/sqrt(Hz)，相比于传统Mx型光泵磁力仪，提升了一个数量级。该类型磁力仪对发展紧凑型、低功耗的磁力仪探头具有重要意义。接着，我们利用该原子磁力仪完成了矢量心磁信号的采集工作，并用心磁向量环的方式对采集到的矢量心磁信号进行了展示。心磁向量环有可能成为新的心磁展示手段，对未来心脏疾病诊断具有重要意义。