原子相干介質(zhì)中探測場的量子噪聲特性研究.pdf

1、原子相干效應(yīng)是實現(xiàn)量子存儲和量子通信的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。特別是電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)(EIT)，其可以有效地降低介質(zhì)對光的吸收，同時增強色散，從而可以應(yīng)用于諸如改變光的群速度，實現(xiàn)光量子存儲，增強共振中心附近的非線性效應(yīng)，無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)放大激光，電磁感應(yīng)光柵，降低量子噪聲，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)光子態(tài)存儲，實現(xiàn)單光子的制備和存儲等多個方面。然而，光與原子相互作用中不可避免地引入額外噪聲的影響，使得輸出場的噪聲特性發(fā)生改變。這些由于原子輻射和位相到振幅噪聲轉(zhuǎn)化所引

2、入的額外噪聲使輸出的量子態(tài)的保真度降低，無法滿足未來量子中繼和量子通信網(wǎng)絡(luò)對高保真度量子存儲的要求。因此，對原子相干效應(yīng)中量子噪聲特性的研究就顯得尤為重要。
　　本文回顧了一些典型的原子相干效應(yīng)的發(fā)展歷程，如相干布居俘獲、電磁誘導(dǎo)透明、量子存儲、電磁誘導(dǎo)吸收、駐波電磁誘導(dǎo)吸收以及無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光放大等等。本文緊接著在我們組之前關(guān)于優(yōu)化電磁誘導(dǎo)透明介質(zhì)中延遲光的量子噪聲特性的工作基礎(chǔ)上，主要做了關(guān)于激光線寬對原子相干效應(yīng)的影響，基于

3、EIT效應(yīng)和Autler-Townes分裂效應(yīng)(AT分裂)的非經(jīng)典輸出場的量子噪聲特性比較以及基態(tài)受到擾動的四能級相干介質(zhì)中輸出場的量子噪聲特性等工作。主要內(nèi)容包括:
　　1.研究了激光線寬對原子相干效應(yīng)的影響。我們給激光器的驅(qū)動電流加上白噪聲從而改變激光的線寬，通過平衡零拍的方法測量了激光的位相噪聲到振幅噪聲的變化。將加有白噪聲的激光分別作為探測光和耦合光進(jìn)行了電磁誘導(dǎo)透明的實驗，并對相同條件下探測光和耦合光的線寬對EIT的透明

4、程度和窗口寬度的影響做了比較。結(jié)果表明，耦合光的線寬變化對EIT的影響相對較大。
　　2.研究了非經(jīng)典光場通過原子相干介質(zhì)后的輸出噪聲特性。理論證明，在非零探測頻率條件下，通過調(diào)節(jié)探測光失諧，可以使我們在位相到振幅噪聲轉(zhuǎn)化的極小值處保持輸入的量子特性。探測頻率ω越小，則探測光的失諧應(yīng)相應(yīng)變大才能得到最優(yōu)的輸出噪聲特性。這為我們今后提高量子存儲的保真度提供了一定的理論依據(jù)。
　　3.研究了動態(tài)斯塔克分裂誘導(dǎo)下的原子相干介質(zhì)中非

5、經(jīng)典光場的輸出噪聲特性。理論基于“Λ型三能級結(jié)構(gòu)+基態(tài)擾動”的實驗?zāi)Ｐ停ㄟ^引入一束相干控制場的作用增加了對原子相干介質(zhì)操控的自由度。輸出場的噪聲譜隨著基態(tài)的斯塔克分裂而線性分裂，并且噪聲最小值始終出現(xiàn)在雙光子共振的地方。理論上不僅證明了非經(jīng)典量子態(tài)可以在雙透明通道中保持其非經(jīng)典特性，還證明了弱場條件下的量子特性保持更易受基態(tài)退相干率的影響而衰減。控制場的失諧對輸出場的噪聲特性也有很大影響，它將導(dǎo)致不對稱的一寬一窄的壓縮窗口。在令探測頻

6、率等于控制場的Rabi頻率時，我們始終可以在探測場的零失諧處得到最優(yōu)的輸出量子特性。
　　4.針對文獻(xiàn)中有關(guān)EIT和AT分裂的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行了討論，并得到了區(qū)分二者的判斷標(biāo)準(zhǔn)。利用該判斷標(biāo)準(zhǔn)對非經(jīng)典光經(jīng)過原子相干介質(zhì)后的噪聲譜進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且同時考慮了介質(zhì)的光學(xué)厚度對噪聲譜的影響。理論證明非經(jīng)典態(tài)在AT分裂條件下光疏介質(zhì)中的存儲具有更高的保真度，而EIT條件下輸出場的噪聲則會接近甚至超過散粒噪聲基準(zhǔn)，其量子存儲更容易受到原子輻

7、射所引入的額外噪聲的影響而降低保真度。這為我們今后利用綴飾態(tài)方法判斷破壞性干涉因子在量子存儲以及輸出場噪聲特性保持方面的作用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。
　　其中創(chuàng)新性的工作包括:
　　Ⅰ.通過給激光器驅(qū)動電流注入白噪聲的方法，驗證了耦合光的線寬變化對EIT的影響相對較大。
　?、?證明了非零探測頻率條件下最優(yōu)的輸出噪聲特性始終發(fā)生在位相到振幅噪聲轉(zhuǎn)化的極小值處，并且探測頻率ω越小，則探測光的失諧應(yīng)相應(yīng)變大才能得到最優(yōu)的輸出

8、噪聲特性。
　?、?基于“Λ型三能級結(jié)構(gòu)+基態(tài)擾動”的實驗?zāi)Ｐ?，證明了在控制場的作用下原子相干介質(zhì)可以打開多個透明窗口，并使非經(jīng)典量子態(tài)在透明通道中保持其非經(jīng)典特性。在探測頻率等于控制場的Rabi頻率時，我們可以始終在探測場的零失諧處得到最優(yōu)的輸出量子特性。
　?、?根據(jù)EIT和AT分裂的判斷標(biāo)準(zhǔn)對非經(jīng)典場通過三能級原子相干介質(zhì)后的噪聲特性進(jìn)行了比較。理論證明AT分裂條件下（對應(yīng)于強耦合場）的光疏或光密介質(zhì)均可以保持輸入的量