原子相干介質(zhì)中探測(cè)場(chǎng)的量子噪聲特性研究.pdf

1、原子相干效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)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(duì)光的吸收，同時(shí)增強(qiáng)色散，從而可以應(yīng)用于諸如改變光的群速度，實(shí)現(xiàn)光量子存儲(chǔ)，增強(qiáng)共振中心附近的非線(xiàn)性效應(yīng)，無(wú)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(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)光子態(tài)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)單光子的制備和存儲(chǔ)等多個(gè)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(chǎng)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(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)量子中繼和量子通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)高保真度量子存儲(chǔ)的要求。因此，對(duì)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(chǔ)、電磁誘導(dǎo)吸收、駐波電磁誘導(dǎo)吸收以及無(wú)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(xiàn)寬對(duì)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(chǎng)的量子噪聲特性比較以及基態(tài)受到擾動(dòng)的四能級(jí)相干介質(zhì)中輸出場(chǎng)的量子噪聲特性等工作。主要內(nèi)容包括:
　　1.研究了激光線(xiàn)寬對(duì)原子相干效應(yīng)的影響。我們給激光器的驅(qū)動(dòng)電流加上白噪聲從而改變激光的線(xiàn)寬，通過(guò)平衡零拍的方法測(cè)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(cè)光和耦合光進(jìn)行了電磁誘導(dǎo)透明的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)相同條件下探測(cè)光和耦合光的線(xiàn)寬對(duì)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(xiàn)寬變化對(duì)EIT的影響相對(duì)較大。
　　2.研究了非經(jīng)典光場(chǎng)通過(guò)原子相干介質(zhì)后的輸出噪聲特性。理論證明，在非零探測(cè)頻率條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)光失諧，可以使我們?cè)谖幌嗟秸穹肼曓D(zhuǎn)化的極小值處保持輸入的量子特性。探測(cè)頻率ω越小，則探測(cè)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(chǔ)的保真度提供了一定的理論依據(jù)。
　　3.研究了動(dòng)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(chǎng)的輸出噪聲特性。理論基于“Λ型三能級(jí)結(jié)構(gòu)+基態(tài)擾動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)引入一束相干控制場(chǎng)的作用增加了對(duì)原子相干介質(zhì)操控的自由度。輸出場(chǎng)的噪聲譜隨著基態(tài)的斯塔克分裂而線(xiàn)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(chǎng)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?？刂茍?chǎng)的失諧對(duì)輸出場(chǎng)的噪聲特性也有很大影響，它將導(dǎo)致不對(duì)稱(chēng)的一寬一窄的壓縮窗口。在令探測(cè)頻

6、率等于控制場(chǎng)的Rabi頻率時(shí)，我們始終可以在探測(cè)場(chǎng)的零失諧處得到最優(yōu)的輸出量子特性。
　　4.針對(duì)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(duì)非經(jīng)典光經(jīng)過(guò)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(shí)考慮了介質(zhì)的光學(xué)厚度對(duì)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(chǔ)具有更高的保真度，而EIT條件下輸出場(chǎng)的噪聲則會(huì)接近甚至超過(guò)散粒噪聲基準(zhǔn)，其量子存儲(chǔ)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(chǔ)以及輸出場(chǎng)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(guò)給激光器驅(qū)動(dòng)電流注入白噪聲的方法，驗(yàn)證了耦合光的線(xiàn)寬變化對(duì)EIT的影響相對(duì)較大。
　　Ⅱ.證明了非零探測(cè)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(cè)頻率ω越小，則探測(cè)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(jí)結(jié)構(gòu)+基態(tài)擾動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停C明了在控制場(chǎng)的作用下原子相干介質(zhì)可以打開(kāi)多個(gè)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(cè)頻率等于控制場(chǎng)的Rabi頻率時(shí)，我們可以始終在探測(cè)場(chǎng)的零失諧處得到最優(yōu)的輸出量子特性。
　　Ⅳ.根據(jù)EIT和AT分裂的判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非經(jīng)典場(chǎng)通過(guò)三能級(jí)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(duì)應(yīng)于強(qiáng)耦合場(chǎng)）的光疏或光密介質(zhì)均可以保持輸入的量