冷原子中四波混频产生的纠缠光子对的时空波形特性

Entangled photon-pairs (EPPs) play important roles in quantum information technology. Different properties of EPPs are needed for different applications. For example, the long distance quantum communication based on photon-atom interaction requires the EPPs with long coherent time (narrow linewidth), the high-resolution quantum optical tomography and clock synchronization needs the EPPs with ultrabroadband linewidth, while the quantum imaging and quantum lithography require the EPPs with high space-resolution. One of the approaches for generating EPPs is the spontaneous parametric down-conversion (SPDC), and a lot of works have been done on the properties of the waveform of this kind of EPPs. In general, the EPPs generated in the SPDC have broadband linewidth, so it can only meet the requirements of a part of applications. Other systems are needed for the generation of EPPs. Recent studies show that the narrow-band EPPs can be generated in cold atom ensembles, and the temporal waveforms of this kind of EPPs have been investigated. However, the study on the spatial and spatial-temporal waveforms of this kind of EPPs has not been reported. This project will study the properties of the waveforms (including temporal, spatial, and spatial-temporal) of the EPPs generated in cold atom ensembles via four-wave mixing processes.

纠缠光子对在量子信息技术中有着广泛而重要的应用。不同的应用领域要求具有不同性质的纠缠光子对，例如，基于原子-光子相互作用的长距离量子通信要求纠缠光子对具有长的相干时间（窄的频谱线宽），而高分辨率量子光学相干层析技术和时钟同步技术要求纠缠光子对具有宽的频谱线宽，量子成像技术和量子印刷技术则要求纠缠光子对具有高的空间分辨率，因此，研究纠缠光子对的时空波形特性具有重要的实际意义。人们对由自发参量下转换产生的纠缠光子对的时空波形特性已进行了比较充分的研究，发现利用这种方法产生的纠缠光子对的频谱较宽，只能满足部分应用领域的要求。因此，有必要研究利用其他物理系统来产生纠缠光子对。最近的研究表明，利用冷原子中的四波混频过程也可以产生纠缠光子对，且对这种纠缠光子对的时域波形特性进行了研究，然而，尚未见到对这种纠缠光子对的空域波形特性和时域-空域综合波形特性的研究工作报道。本项目将对这些问题进行研究。

纠缠光子对在量子信息技术中有着广泛而重要的应用。不同的应用领域要求具有不同性质的纠缠光子对，例如，基于原子-光子相互作用的长距离量子通信要求纠缠光子对具有长的相干时间（窄的频谱线宽），而高分辨率量子光学相干层析技术和时钟同步技术要求纠缠光子对具有宽的频谱线宽，量子成像技术和量子印刷技术则要求纠缠光子对具有高的空间分辨率，因此，研究纠缠光子对的时空波形特性具有重要的实际意义。人们对由自发参量下转换产生的纠缠光子对的时空波形特性已进行了比较充分的研究，发现利用这种方法产生的纠缠光子对的频谱较宽，只能满足部分应用领域的要求。因此，有必要研究利用其他物理系统来产生纠缠光子对。本项目研究利用冷原子中的四波混频过程产生纠缠光子对，以及这种纠缠光子对的时域波形特性。.本项目的主要研究内容、结果和成果如下：（1）研究了可控波形亚自然线宽（线宽为0.8MHz，远小于铷原子的自然线宽6MHz）纠缠光子对的产生；（2）利用所产生的窄线宽纠缠光子对，可产生预告式窄线宽单光子脉冲，利用该窄线宽单光子脉冲进行了量子延迟选择实验，在单光子的相干时间内，既观测到光的粒子性，又观测到光的波动性；（3）在国际上首次发现了冷原子中四波混频过程产生的纠缠光子对的X形时空波形结构；（4）提出了一种制备窄线宽三光子频率纠缠态的新方案：（5）鉴于腔量子光力学是近年来非常活跃的一个研究领域，我们也开展了这方面的研究，并取得了一些有意义的研究成果；（6）研究了与本项目相关的一些其他问题。.在本项目执行期间，发表期刊学术论文30余篇。培养博士研究生3名，硕士研究生14名。