原子介质中的四组份共振光放大及其应用研究

With the development of large-scale quantum information network, the ability to realize all-optical control of multi-channel optical fields is one part of the research on the coming integrated quantum device. Moreover, atomic coherence-based multipartite resonant optical amplification is the foundation of quantum information network for atom-field quantum interface. It not only provides a method for multiplexing to improve information transmission capability, but also is a direct way to prepare the quantum entanglement of multi-fields. For the atomic medium, resonant absorption is a problem that must be firstly to solve in order to obtain an optical amplifier operating on resonance. On the other side, quantum coherence is helpful to enhance atomic nonlinearity and then improve the gain. In this project, we will combine both the multi-channel electromagnetically induced transparency and standing-wave pumped multi-four-wave mixing, with the aim to obtain quadripartite amplification to the resonant fields on the D1 transition of cesium atom. Furthermore, the experimental study of continuous variable quadripartite quantum entanglement fields will be done. This project will be applied in the further researches about multi-channel atom-field information exchange.

随着大规模量子信息网络的发展，实现多路光信号的全光操控，是未来集成化光量子器件的研究内容之一。利用原子相干效应实现多组份共振光放大，是基于光与原子界面的量子信息网络的重要研究基础，为提高信道数据传输容量的多路复用技术提供了解决方案，更是制备多组份纠缠态光源的一种更直接的手段。在原子介质中，共振吸收是获得此频段下光放大器必须攻克的首要技术难题。另外，借助于量子相干增强的非线性将大大提升放大器的增益指标。本项目拟结合多通道电磁诱导透明（electromagnetically induced transparency, EIT）和驻波泵浦多个四波混频（four-wave mixing, FWM）的方案，以期获得对铯原子D1共振线处的四组份光放大实验研究，进一步开展连续变量四组份量子纠缠态制备与操控研究，探索光与原子之间多通道信息交互的相关研究。

在单个原子样品中激发多个四波混频过程产生多光束放大的实验，为大规模量子通信网络提供了一个理想的研究平台。而双EIT模型不仅能强烈抑制原子共振线的吸收，还能借助强的量子相干极大增强系统的非线性效应。课题在单个原子气室内构建双EIT能级结构，诱导受激拉曼过程，在实验上获得其中一个透明窗口由零吸收向增益的突破，随后通过构造合适的空间泵浦方式使得系统内同时满足多个相位匹配条件，从而将单组份放大扩展到四组份光放大，并将四组份放大光场的频率调谐到原子的共振线，实现四组份共振高增益放大。项目执行期间，同时开展了腔与原子耦合体系的内腔四波混频效应的实验研究，光学谐振腔一方面提高了放大光束的光学增益，另一方面极大地压窄了增益谱线宽。理论与实验结合对该系统下的光放大原理及多个物理过程的深入研究，在此基础上开展了基于多信道的光量子器件应用研究。结合反事实量子通信基本原理，提出了基于原子系统内多组份量子纠缠的反事实纠缠分发方案。为项目有关原子样品内多组份纠缠光源的应用研究开辟了一条新的研究思路。.项目的研究计划执行顺利，课题组紧密围绕计划任务，取得了一系列重要研究成果，发表Phys. Rev. A 1篇，Opt. Express 1篇，Sci. Rep. 1篇，Indian Journal of Physics 1篇，Opt. Commun. 1篇，J. Opt. Soci. Am. B：Opt. Phys. 1篇，J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1篇，量子光学学报1篇，被录用物理学报1篇。