超高光学厚度冷原子系综中光子轨道角动量量子态的操控实验研究

The research of photon-atom interaction is a fundamental problem in quantum optics and quantum information area. Orbital angular momentum (OAM) of photons characterizes both high dimensions and optics vortices, and shows a great of potential applications in quantum and classical fields, and attracts a lot of attention. However, interaction between two different photons never occurs, let alone the photons with OAM. So we need some medium to interact between different photons, and atoms which has the long coherent time is selected as the best candidate. In this project, we will introduce the “dark line” and adiabatic compression technology to obtain a super high optical depth (OD) cold atom, which is about 3000, so that we can enhance the interaction between photons with OAM. Moreover, we will code photons with different OAM states, and realize the rapid manipulation of OAM states in cold atom ensemble. These results will provide new methods for storage, identification, and manipulation of OAM states in atom ensemble and will have an important impact to science fields.

光与原子的相互作用是量子光学和量子信息领域研究的一个基本问题。光子轨道角动量（OAM）态具有高维和光学涡旋特性，常被选做荷载高维信息的理想载体，在经典和量子领域都展示出了巨大的应用潜力。然而，不同的光子之间很难实现直接相互作用，携带OAM量子态的不同光子比特之间也无法直接进行信息传递。因此，需要有中间媒介在不同OAM态光子之间传递信息。原子介质以其良好的量子相干特性成为这种媒介的理想候选者。本项目我们基于冷原子介质，将采用“暗线”和绝热压缩技术，在实验上产生光学厚度高达3000的冷原子团，大大增强光子与原子的相互作用几率。同时对光子OAM态进行量子编码，并利用冷原子介质的量子相干特性对光子OAM态进行转化和存储等操控研究。这些工作将为在高光学厚度冷原子中开展光子高维OAM量子态的操控、检测及存储提供新的手段和方法，具有重要的科学意义。

光与原子的相互作用是量子光学和量子信息领域研究的一个基本问题。冷原子系综良好的相干特性为实现量子光场信息的存储和调控提供重要手段，原子系综的光学厚度是衡量光与原子相互作用强度的重要指标。本项目基于利用磁场梯度压缩等技术，实验制备得到光学厚度为500的冷原子系综。同时建立了理论模型，讨论基于原子全部塞曼能级和单个塞曼能级情况下量子态的存储效率与原子光学厚度直接的依赖关系。根据我们的理论模型，铯原子光学厚度220左右时，量子态的存储效率达到最大值。实验结果与之高度吻合，原子光学厚度为220，量子态的存储效率达到了最高值，大约为70%。我们的实验条件均在单光子水平，在该领域中单光子水平下量子态达到70 %的研究尚未报道，该进展对高效量子网络的搭建奠定重要基础。. 此外，为了减小由原子能级相互耦合引起的退相干效应，进一步提高量子态存储效率，我们选取铯原子D1跃迁谱线，并搭建实验激光系统。首先基于DLCZ方案，在冷原子系综中产生真正的单光子，且单光子g2小于0.1。我们利用系统产生的单光子对，在自由空间制备偏振纠缠态，在冷原子系统实现了纠缠态从光量子态到原子自旋态再到光子态高效率转换，其中转换效率达到了88%。纠缠态的高效转换为长距离量子通信网络提供重要的实验依据。. 最后，利用原子介质的良好相干特性实现光子之间轨道角动量( OAM)态的相互作用。在原子介质实现矢量光束的调制，观察到矢量光束的在空间中的磁场依赖性。同时利用OAM光场在电磁感透明过程中，实现对散斑场的压缩，有效提高关联成像的分辨率，在光通信和成像领域具有重要科学意义。