空间压缩纠缠光场研究

压缩纠缠态是量子光学量子信息领域最重要最基本的量子资源，可用于引力波探测，量子保密通讯等许多方面。但目前这方面研究主要集中在基于TEM00模的光场时间尺度上的量子纠缠特性，与之平行的另外的一个研究方向，即空间量子压缩纠缠态，是基于高阶横模连续波的空间量子关联特性。空间压缩纠缠态在空间信息传输、超高精细度的测量、量子成像及图像传输、量子全息术、无噪声图像放大等方面有重要的应用前景。我们拟利用周期极化晶体PPKTP组成的两个光学参量放大器制备TEM01模的压缩态光场，通过横模压缩光和作为本底信号的TEM00模相干态光场耦合产生空间压缩纠缠态光场，研究空间压缩纠缠态光场的产生及其量子特性，提高空间压缩纠缠光的纠缠度与稳定性，与此同时，研究探索基于该系统的量子测量。

传统的连续变量纠缠态光场是基于TEM00模，同时另外一个平行的领域是空间量子光学、空间量子信息，对应的是光学模的横向小位移d和指向夹角θ，也对应连续变量光场的正交振幅和正交位相分量。不同的是空间压缩纠缠态具有空间量子关联特性，是一种基于高阶横模TEM01模的光场。该光源可应用于空间信息传输、量子成像及图像传输、量子全息术、无噪声图像放大等方面，尤其在超高精细度测量有重要的应用价值。基于空间压缩态的小位移测量能超越标准量子极限。高阶横模也可以为量子信息方案提供复杂性，可应用于量子信息的并行传输、多通道量子密钥分配。该领域的研究已引起了人们的极大关注，2003年N. Treps,等人实验上实现量子激光指针。2007年M. Lassen等人通过精细的调节非线性晶体的相位匹配和光学参量放大器的腔共振条件得到了高阶横模的压缩态光场。2008年，澳大利亚国立大学产生了空间纠缠态光场，2013年基于此类光场开展了生物测量实验。对于该方向的研究，我们研究小组做了如下工作。. 我们从实验上有效、稳定地获得了TEM01模的压缩态光场，测得其压缩度为2.2dB，利用量子层析测量技术得到了该量子态在相空间的Wigner准概率分布函数；基于 TEM01模压缩光场实验上产生了空间压缩态光场，并利用该光场实现了超越标准量子极限的空间小位移测量；实验上研究了两个一阶简并模同时产生于一个光学参量放大器，其压缩度为-2.8dB和-1.6dB；利用两个光学参量放大器产生两个TEM01模压缩光，并经分束器耦合得到了TEM01模的纠缠态光场；从Ⅱ类非简并光学参量过程的半经典运动方程出发，讨论了阈值以下下转换过程中，产生的信号光和闲置光之间存在多元的纠缠频率梳特性；实验上研究了λ型原子系综通过受激非简并四波混频过程产生量子关联的孪生光束，测得2.5dB的强度差压缩；我们设计实现了一个对称补偿方案，使TEM01模和TEM10模能在光学参量放大器中同时共振；研究了动态Stark效应对电磁感应透明系统的压缩态噪声谱和延迟时间的操纵；理论研究了利用两个倍频光学腔级联产生四组份纠缠光场；实验研究了铯原子汽室中不同能级和不同温度的原子在不同光强和不同偏振光作用下的光学厚度的测量。. 这些研究成果对开展空间量子光学、空间量子信息、量子成像、精密光学测量、生物测量、引力波探测的研究探索奠定了基础。