基于腔内冷原子系综的单光子级光脉冲实验操控研究

The efficient network nodes of classic or quantum information are required to execute the task of multi-channel or multi-frequency point information storage and modulation.The laser holds the unique coherence advantage as the chains between nodes. So the active controlling the low level or individual photons pulse has been identified as a powerful resource for quantum communication protocols. For a multi-level cold cesium atoms ensemble confined in the cavity, by virtue of the electromagnetically induced transparences dark state and their dressed dark state created by a coupling laser and controlling laser, the programmable multi-frequency point large dispersion and nonlinearities can be arbitrary constructed. The following main parts will be included in this proposal: 1） investigation of the nonlinearities of narrow-band multi-dark state or broad transparency window and their dressed states， it is from the interaction between low level pulse or single photon pulse and the atomic ensemble in the cavity； 2） mapping pulse into or retrieving it out of the multi-level cold atoms ensemble confined in cavity with the multiple dark-states Electromagnetically Induced Transparency system. 3） demonstration the shaping temporal waveforms and phase compensation for the signal pulse in the coupled-cavity-atom system with the coupling and controlling lasers and implementation of the multi-channel phase-encoding pulse by periodically modulating the two classical coupling and controlling fields These are the foundation base for manipulation of low level or single photon pulse.

经典或量子信息网络节点要求能够完成多通道、多频点的光信息存储和调制。电磁感应透明和腔量子电动力学是实现这种量子操控的有效手段。目前的研究表明单光子水平的相干光完全可以触发原子系综中的电磁感应透明。实验上利用铯冷原子系综和腔耦合并在耦合光作用下可产生多个可控的三能级系统电磁感应透明暗态窗口，在引入控制光后形成的四能级结构中还能获得缀饰暗态。从而可建构一个在多频点有强色散和非线性特性的可控系统用于光脉冲存储和量子操控。本项目将主要研究： 1）宽带透明窗口或多个窄线宽窗口及其缀饰暗态的非线性特性控制及光脉冲在其中传输的物理过程； 2）基于电磁感应透明窗口实施多个窄带光脉冲同时存储和宽频脉冲的不失真存储； 3）调制经典驱动场，完成多个窄带光脉冲的同时相位调制和宽频光脉冲多频点相位调制、色散补偿及脉冲整形； 整个项目的开展将为操控单光子脉冲的理论和实验技术研究奠定基础。

冷原子系综和腔耦合后结合了腔量子电动力学和电磁感应透明两种原子量子操控手段，光场介入性好，成为方便操控系统非线性效应的量子操控平台，实现光与原子间可控的信息存储、传输、交换。本项目基于腔内多能级原子系综实施对光脉冲的操控，通过多个激光器耦合铯原子不同的跃迁能级，构建三能级或四能级系统。通过本项目的实施，我们完成了冷原子系统的改进和优化，实现了计算机自动控制实验系统，并通过构建2D磁光阱增加冷原子的光学厚度以获得同腔更强的耦合。针对项目中最关键的问题，我们从动态特性入手，一方面解决光源稳定性和噪声问题,构建了一套高效、高分辨率测量激光频率变化的实验系统，通过研究激光器被调制后的输出频率变化，可获得在实验室环境中ECDL激光器及其稳频系统的动态响应。结合FFT分析，通过对其稳频系统动态分析和针对性的设计以及光栅和电流两路闭环校正，增加了闭环带宽，使得相对于原子跃迁线锁定连续工作时间更长。在此基础上，通过引入机械冲击来分析激光器在特定环境的响应特征，据此可针对性地设计和优化系统闭环反馈参数使激光器能应用在较为恶劣的环境中。利用偏振光谱，还可以测量原子跃迁中心频率附近小范围内激光频率的起伏。通过直接测量不同频率声致振动激励下激光器的响应特性，可对比研究激光器隔音机壳的隔音效果。实验表明，对于不同频率的声音激励，隔音后激光器的声音响应存在91倍的差异。这可为机械结构和隔音系统的设计提供实验依据，并有望成为声音精密测量的基础。另一方面主要关注原子相干光谱的动态特性。首先，搭建了有原子气室的谐振腔，当腔与原子和光场共振时原子发生Rabi分裂。我们利用垂直方向的泵浦光控制腔与原子系统耦合的过程，Rabi分裂峰的频率间隔和强度可随泵浦光的增强而增大。实验室上，利用开关信号控制AOM的开关来实现泵浦光的开关，作用到腔和原子耦合系统后，完成了腔透射信号的动态特性。