【摘要】：非經(jīng)典關(guān)聯(lián)光子對(duì)是一種非常重要的量子光源,能探索未知的量子世界,其在量子密鑰分布、量子信息技術(shù)、量子計(jì)算、量子存儲(chǔ)和通訊方面有著重要的應(yīng)用。非線性晶體通過(guò)自發(fā)參量效轉(zhuǎn)換,在相位匹配條件下產(chǎn)生一對(duì)非經(jīng)典關(guān)聯(lián)光子對(duì),其線寬通常達(dá)到THz量級(jí)。為適用于長(zhǎng)程量子通信和基于光作為飛行比特和原子作為網(wǎng)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)方案,關(guān)聯(lián)光子對(duì)的線寬需要與原子能級(jí)帶寬量級(jí)匹配。原子系綜能級(jí)易于調(diào)控,從其中通過(guò)非線性過(guò)程制備的光子對(duì)必定匹配原子能級(jí)的帶寬,因此從原子系綜制備窄線寬關(guān)聯(lián)光子對(duì)在近十多年中成為量子光學(xué)的一個(gè)重要課題。另一方面,隨著激光冷卻與囚禁技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,冷原子系綜成為量子光學(xué)、量子信息技術(shù)等領(lǐng)域的重要介質(zhì)源。結(jié)合冷原子實(shí)驗(yàn)技術(shù)和量子光學(xué)前沿問(wèn)題,本博士論文主要完成了以下三項(xiàng)工作。1.我們搭建了一個(gè)85Rb二維磁光阱,光學(xué)深度為100。磁光阱被廣泛應(yīng)用在量子光學(xué)和原子分子物理領(lǐng)域,為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供冷原子源。我們搭建的二維磁光阱的最大特點(diǎn)是沿長(zhǎng)軸方向具有高光學(xué)深度和具有較低的原子基態(tài)退相干率,適合用于制備窄線寬非經(jīng)典關(guān)聯(lián)光子對(duì)。2.在冷原子系綜中利用DLCZ方案產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光子對(duì)。寫(xiě)光先作用到原子系綜中,通過(guò)拉曼過(guò)程制備原子集體激發(fā)態(tài),即原子自旋波,并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)斯托克斯光子。雙光子波函數(shù)的時(shí)間寬度可以通過(guò)寫(xiě)光的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)控。反斯托克斯光子的讀取時(shí)間由讀光的作用時(shí)間決定,因此在原子自旋波的壽命內(nèi)能任意控制光子對(duì)的延遲時(shí)間。這種方式產(chǎn)生的光子對(duì)在波函數(shù)上能寫(xiě)為兩個(gè)光子波函數(shù)的乘積,它們?cè)跁r(shí)間和頻率域上是相互獨(dú)立的。3.在高光學(xué)厚度的冷原子團(tuán)中在連續(xù)光作用下通過(guò)自發(fā)四波混頻過(guò)程制備窄線寬光子對(duì),并且這種光子對(duì)在時(shí)間頻率維度上能用一個(gè)波函數(shù)表示,因此具有時(shí)間頻率糾纏。光子對(duì)中的反斯托克斯光子經(jīng)過(guò)一窄帶的電磁誘導(dǎo)透射窗口得以延遲。影響雙光子相干時(shí)間的因素主要有原子系綜的光學(xué)深度OD,耦合光的拉比頻率Ωc,基態(tài)退相干率γ12。在一定的范圍內(nèi),OD越大、耦合光的拉比頻率越低,相干時(shí)間越長(zhǎng)。在耦合光的拉比頻率降低到一定程度,致使電磁誘導(dǎo)透射的透射窗口的吸收不能被忽略時(shí),基態(tài)退相干率γ12是限制相干時(shí)間的唯一因素,決定了光子對(duì)相干時(shí)間的極限。我們通過(guò)光學(xué)厚度達(dá)到100的冷原子系綜,在γ12為283kHz的低退相干率條件下,光子對(duì)的相干時(shí)間首次突破2微秒(長(zhǎng)達(dá)2.34μs)。
[Abstract]:Non-classical correlated photon pair is a very important quantum light source, which can explore the unknown quantum world. It has important applications in quantum key distribution, quantum information technology, quantum computing, quantum storage and communication. A pair of nonclassical correlated photon pairs is produced by spontaneous parametric effect conversion in nonlinear crystals under the condition of phase matching. The linewidth of the pair is usually in the order of THz. In order to be suitable for long range quantum communication and quantum network schemes based on light as flying bits and atoms as dot the linewidth of correlated photon pairs needs to match the order of atomic bandwidth. The atomic ensemble energy level is easy to be controlled, and the photon pair produced by nonlinear process must match the bandwidth of atomic energy level. Therefore, the generation of narrow-linewidth correlated photon pairs from atomic ensemble has become an important subject in quantum optics in the past ten years or so. On the other hand, with the development and wide application of laser cooling and trapping technology, cold atom ensemble has become an important dielectric source in the field of quantum optics, quantum information technology and so on. Combining the cold atom experiment technique and the quantum optics frontier problem, this doctoral thesis has accomplished the following three works. 1. We have constructed a 85Rb two-dimensional magneto-optic trap with an optical depth of 100. Magneto-optic traps are widely used in quantum optics and atomic and molecular physics to provide cold atomic sources for basic scientific research. Our two-dimensional magneto-optical trap is characterized by its high optical depth and low atomic ground state decoherence along the long axis, which is suitable for the preparation of narrow linewidth nonclassical correlated photon pairs. In cold atomic ensemble, the DLCZ scheme is used to generate correlated photon pairs. The writing light is first applied to the atomic ensemble, and the collective excited state of the atom, that is, the spin wave of the atom, is prepared by the Raman process, and a Stokes photon is produced at the same time. The time width of the two-photon wave function can be adjusted by the pulse width of writing light. The reading time of the anti-Stokes photon is determined by the action time of the read light, so the delay time of the photon pair can be controlled arbitrarily within the lifetime of the atomic spin wave. The photon pair produced in this way can be written as the product of two photon wave functions on the wave function, and they are independent of each other in the time and frequency domain. In a cold atomic cluster with high optical thickness, a narrow linewidth photon pair is prepared by spontaneous four-wave mixing under the action of continuous light, and the pair can be represented by a wave function in the dimension of time and frequency, so it has time-frequency entanglement. The anti-Stokes photon in the photon pair is delayed through a narrow-band electromagnetic induced transmission window. The main factors affecting the two-photon coherence time are the optical depth of atomic ensemble, the Rabi frequency 惟 _ c of the OD, coupling light, and the ground state decoherence rate 緯 _ (12). In a certain range, the larger the OD, the lower the Rabi frequency of the coupling light and the longer the coherent time. When the Rabi frequency of the coupled light is reduced to a certain extent and the absorption of the transmission window induced by electromagnetic transmission cannot be neglected, the ground state decoherence rate 緯 12 is the only factor limiting the coherence time, which determines the limit of the photon pair coherence time. By using the cold atomic ensemble with optical thickness up to 100, under the condition that 緯 12 is the low decoherence rate of 283kHz, the coherence time of photon pair for the first time exceeds 2 microseconds (up to 2.34 渭 s).
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O431.2

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本文編號(hào)：2408254