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Payne等人 战Fleisehhauer等人 正在探测脉冲与节造场

发布日期: 2019-11-20 浏览次数:

  超冷原子介质中快光、慢光和静止光的相关调控 (摘要) 将来的量子消息收集需要人们使用切确的手段节制光消息的动态传输, 正在量子化前言中对光消息进行无效存储以及操纵新鲜的手艺对光学数据进行 相关操控。光取物质彼此感化导致的量子相关效应为实现这一方针供给了强 大的东西。出格地,基于激光原子相关的电磁通明(EIT)手艺被非 常成功的大量使用正在量子消息范畴。 本论文回首了原子相关效应,沉点引见了基于 EIT 的光存储手艺和光学 前驱场的相关研究工做的成长过程和前沿标的目的。正在此根本上,我们切磋了携 带消息的弱光信号正在超冷 EIT 原子介质中的动力学演化过程以及对其进行的 相关调控。研究内容次要包罗正在相关制备的 EIT 介质中操纵光存储手艺发生 和操控慢光拍信号和双静止光脉冲,操纵超快光学前驱场实现对脉冲序列中 特殊超慢光脉冲的标识表记标帜方案,共分为四个部门。具体内容如下: 一、 基于光存储手艺正在 tripod 型冷原子中发生和操控拍信号 我们研究了正在EIT前提下的四能级tripod型冷原子介质中,操纵非对称 的光存储手艺将量子探测场为拍频信号的方案。具体过程是:正在存储阶 段调制两个具有相等失谐的节制场,将迟缓进入原子介质的一束量子探测场 成两个原子自旋相关波包。正在提取阶段同时具有分歧失谐的两个控 制场,能够获得动态可控的慢光拍频信号。通过理论阐发可知,这种拍信号 来历于所提取的具有分歧含时相位的两个光学分量之间的相长和相消。 这种风趣的现象能够通过“暗态极化子”(DSPs)理论来很好的注释。而且, 我们能够通过改变两个节制场的相对失谐和相对相位无效节制拍信号的拍频 大小和峰值的。最初我们还阐发了这种拍信号的潜正在用处,例如能够用 来快速丈量原子跃迁频次以及强度等。 I 二、 正在四能级准型冷原子中通过引入微波场发生和操控拍信号 我们提出了正在相关场驱动的四能级准型冷原子系统中实现的一种动力 学发生和操控拍信号的无效方案。这个方案依赖于一个由一束典范耦合场和 正在光提取阶段引入的一束微波场节制的光存储和提取过程。输入的量子探测 场被起首成一个原子自旋相关激发,接下来再成具有分歧含时相 位的两个光学分量。二者之间发生相长和相消,因而,所提取出的量子 探测场呈现出一系列强度上的最大值和最小值交替呈现的拍信号。我们操纵 暗态极化子理论阐发拍信号的发生过程,现实上包含了单模暗态极化子和双 模暗态极化子的相关。拍信号的频次、对比度和相位由微波场的强度、 失谐和时间节制。我们还发觉由微波场发生拍信号引入的能量损耗是很 小的。最初,当我们输入矩形脉冲,履历上述的存取过程后,输出脉冲具有 三部门相互分手的振荡布局,前两部门是来历于上升沿和下降沿的快速的光 学前驱场,后一部门是来历于从体脉冲的减慢的光拍信号。基于这个方案, 我们能够操纵高精度的拍信号丈量微波场强度。 三、 五能级双 tripod 型冷原子中双静止光脉冲的发生取操控 我们研究正在五能级双tripod型冷原子系统中,通过调控两个前向和两个 后向节制场,以同时或必然的时间延迟的体例将一束量子探测场成一对 双色静止光脉冲(SLPs)。我们的数值成果表白,此双色静止光脉冲是由两 个原子自旋波包彼此耦合发生的。现实上每个静止光脉冲都来历于一对互相 耦合的暗态极化子,它们的速度标的目的相反可是强度不异,这种合作的均衡状 态导致了光脉冲的静止。通过调制四个节制场,我们不只能同时从介质出口 和入口处两个静止光脉冲,而且能使二者先后从介质末尾处被。特 正在这种模子下发生的静止光脉冲能够避免快速的能量衰减和空间扩散。 别地, 别的,通过正在光存储和提取阶段改变四个典范节制场的失谐,我们能够将振 荡拍的形式加载到静止光脉冲上,并以拍信号的形式对其进行。 II 四、 正在 EIT 环境下操纵超快光学前驱场标识表记标帜超慢光信号 我们研究了正在 EIT 下的量子延迟或存储介质中,操纵超快光学前驱场实 现对光信号序列中某些特定方针脉冲做标识表记标帜的四种方案。前三种方案是正在三 能级型系统中实现的。第一种方案中,我们正在信号脉冲序列中了一个 半高斯脉冲,操纵其突变上升沿发生的光学前驱场取方针脉冲的慢光从体发 生感化,使方针脉冲具有振荡的尖峰布局从而被标识表记标帜。正在第二种方案中, 我们通过批改信号脉冲的波形,操纵方针脉冲突变的下降沿发生的前驱场取 本身的慢光从体发生感化以实现标识表记标帜方案。正在第三种方案中,我们操纵 方针脉冲后一个脉冲的突变的上升沿或者下降沿发生的前驱场对方针脉冲进 行标识表记标帜。正在第四种标识表记标帜方案中,我们引入一束矩形调制的弱微扰场耦合三能 级型系统取另一个基态能级,使之形成一个 N 型系统。正在此系统中,信号 脉冲序列仍正在 EIT 环境下迟缓通过介质,而微扰场的从体部门被接收,只要 前驱场能通过。将此前驱场叠加正在以慢光形式输出的方针脉冲上,使其被标 记。通过这些方案,我们可以或许及时的对某个特定脉冲进行标识表记标帜,这正在光通信 和超快消息处置范畴将具有潜正在的使用价值。 环节词: 量子相关,电磁通明,拍信号,静止光脉冲,光学前驱场 III Coherent manipulation of st, slow and stationary light in ultra-cold atomic media (Abstract) In the future, the realization of quantum internet requires that people should use accurate means to control the dynamic propagation of optical pulses, to effectively store optical information in quantized media, and apply novel techniques to coherently control optical data. The quantum interference effect between light and matter provides powerful tools to achieve this goal. In particular, electromagnetically induced transparency (EIT) technique has been widely and successfully used in the field of quantum information. This thesis reviews the atomic coherence effects and focuses on the developments and frontiers of EIT-based light storage techniques and researches on optical precursors. On this basis, we investigate the dynamic evolution and coherent control of weak optical signals with information in ultra-cold EIT atomic media. Our work includes the coherent generation and manipulation of slow optical beating signals, stationary light pulse pairs, and st optical precursors used for marking the slow pulse in the regime of EIT. I. Dynamic generation of robust and controlled beating signals in an asymmetric procedure of light storage and retrieval We investigate the generation of beating signals from a quantum probe field based on an asymmetric procedure of light storage and retrieval in a sample of tripod-type cold atoms under EIT condition. In this scheme, when we modulate two classical coupling fields with equal detunings in the storage stage, a quantum probe field first slowly enters the atomic sample and then transform into two spin coherence wave-packets. In the retrieval stage, we turn on two classical V coupling fields with opposite detunings and then retrieve the probe field with beating signals. Through theoretical analysis, the beating signals rely on the alternative constructive and destructive interference between two optical components characterized by different time-dependent phases. The generation of this interesting phenomenon can be well understood in the terms of dark-state polaritons (DSPs). In addition, the beat frequency and locations of peaks are determined by the detunings difference and the relative phase of two coupling fields. We also analyze the potential applications of the beating signals in st limited measurement of magnetic field amplitudes and atomic transition frequencies. II. Generating and manipulating beating signals by a microwave field in four-level cold atoms We propose an efficient scheme for the dynamic generation and manipulation of beating signals in a sample of cold atoms driven into the four-level quasi-Λ configuration. This scheme relies on a procedure of light storage and retrieval controlled by a classical coupling field with a microwave field introduced only in the retrieval stage. One quantum probe field, incident upon this atomic sample, is transformed first into a collective excitation of atomic spin coherence and then into two optical components characterized by different time-dependent phases. Consequently the retrieved quantum probe field exhibits a series of maxima and minima (beating signals) in intensity due to the alternative constructive and destructive interference. This interesting phenomenon involves in ct the coherent conversion between single-mode and two-mode DSPs. The beating frequency, contrast, and phase can be easily controlled by modulating the microwave intensity, detuning, and turn-on time. We also find that little energy loss is additionally introduced when beating signals are generated by applying the microwave field in the light retrieval stage. If the incident probe field is a squared VI pulse, the output probe field will have three separate parts exhibiting oscillating intensities, among which the former two are st optical precursors originating from the sudden rising and lling edges while the last one is slow beating signals generated from the central main part. This scheme can be explored to measure the microwave intensity with high-precision beating signals III. Coherent generation and dynamic manipulation of double stationary light pulses in a five-level double-tripod system of cold atoms We study a five-level double-tripod system of cold atoms for efficiently manipulating the dynamic propagation and evolution of a quantum probe field by modulating four classical control fields. A pair of two-color stationary light pulses (SLPs) can be generated either at the same time or with a suitable time delay. Our numerical results show that the two-color double SLPs are mutually coupled through two wave packets of atomic spin coherence. Each SLP is contributed by a pair of mutually coupled DSPs with opposite velocities and equal strengths so that no one can conquer the other to move in its own direction. The pair of stationary light pulses can be released either from the sample entrance and exit synchronously or just from the sample exit with a controlled time delay. In addition, the two-color stationary light pulses are immune to the st decay originating from the higher-order Fourier components of atomic spin and optical coherence, and may exhibit the quantum limited beating signals with their characteristic frequency determined by detunings of the four classical control fields. IV. Marking slow light signals with st optical precursors in the regime of electromagnetically induced transparency We propose four schemes for marking a desired slow light signal in a sequence of optical pulses with st optical precursors in a quantum delay or memory medium of cold atoms under the EIT condition. The first three schemes VII are accomplished in a model of generic -type system without applying the disturbing field. In the first scheme, we dope a special half-Gaussian wave-pattern pulse into the pulse sequence. The target output signal with oscillating peaks is highlighted by a st optical precursor generated from the rising edge of the incident half-Gaussian pulse. In the second scheme, we modulate a Gaussian-like pulse with a sudden lling edge. The corresponding precursors will interfere with the output slow main pulse and a few oscillating peaks can be generated. In the third scheme, we use the precursors from the sudden rising or lling edge of the next pulse after the target pulse to generate the oscillating peaks. However, in the fourth scheme of an N-type system, a square-modulated disturbing field is introduced to couple the -type system and another atomic level. Only its optical precursors can propagate through the medium but the main pulse will be absorbed. The slow target signal pulses under EIT can be marked for that the optical precursors add their intensities and generate oscillating peaks. Through these marking schemes above, we can achieve to mark a particular pulse of an optical sequence immediately as required. These marking schemes may have potential applications in optical communication and st information processing. Key words: quantum interference, electromagnetically induced transparency, beating signals, stationary light pulse, optical precursor VIII 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 量子消息取量子收集 1 1.2 量子相关效应 3 1.3 基于电磁通明的光存储 3 1.4 瞬态通明的超快光学前驱场 8 1.5 本论文的布局及次要内容 10 第 2 章 取论文相关的研究布景及现状 13 2.1 基于光存储手艺发生拍信号的相关研究 13 2.1.1 媒介 13 2.1.2 原子介质中获得拍信号 13 2.1.3 固体介质中获得拍信号 18 2.2 EIT介质中静止光脉冲的相关研究 19 2.2.1 媒介 19 2.2.2 静止光脉冲的研究现状 20 2.3.3 静止光脉冲的相关使用 25 IX 2.3 EIT介质中光学前驱场的相关研究 29 2.3.1 媒介 29 2.3.2 EIT 介质中光学前驱场的不雅测 30 2.3.3 操纵光学前驱场提高脉冲峰值强度 32 第 3 章 基于光存储手艺的拍频信号发生及动力学节制 37 3.1 媒介 37 3.2 理论模子及公式 38 3.3 数值成果取定性阐发 40 3.4 本章总结 46 第 4 章 正在准型原子中操纵微波场发生和操控拍信号 47 4.1 媒介 47 4.2 理论模子取公式 48 4.3 数值成果取定性阐发 51 4.4 本章总结 57 第 5 章 双 tripod 型原子中双静止光脉冲的动态制备和节制 . 59 5.1 媒介 59 X 5.2 理论模子取公式 60 5.3 双静止光脉冲的相关制备取提取 64 5.4 静止光拍脉冲的相关制备取提取 68 5.5 本章总结 71 第 6 章 操纵超快光学前驱场实现对超慢光脉冲的标识表记标帜 73 6.1 媒介 73 6.2 理论模子取公式 74 6.3 型系统中的脉冲标识表记标帜方案 76 6.4 N 型系统中的脉冲标识表记标帜方案 81 6.5 本章总结 82 论文总结 83 参考文献 85 正在学期间的科研 101 称谢 103 XI 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1.1 量子消息取量子收集 消息是将来社会成长的主要计谋资本,正在鞭策科技前进、推进经济成长 以及改善人们糊口等方面均拥有举脚轻沉的地位。消息资本的无效存储、传 输和处置是现代化消息手艺关心的要点。电子手艺的成长推进了消息化时代 的到来,因为电子的互换时间和最高工做频次都是有的,以电子做为载 体的消息手艺已碰到了“瓶颈”,人们把 目光转移到以光子做为载体的量子 消息手艺上[1]。 量子消息手艺将量子力学和消息科学相连系,不只推进了人们对量子世 [2] 界的理解以及相关节制量子系统的能力 ,并且激励了人们去成立比现 正在的互联网(Internet)快万万倍的量子收集[3]。量子收集是操纵量子算法 来存储和处置量子消息的物理安拆,其主要性次要表现正在量子计较,量子通 信和量子计量[4-6]等方面的根本阐发和物理实现。此中量子计较次要研究量子 计较机以及量子算法,而量子通信次要研究量子暗码[4]、量子传态[7-11] 和远距离量子通信手艺[12,13]等等。量子收集不只能够实现量子并行计较,还 能够模仿量子系统,这些工做是典范计较机无法胜任的。因而,实现量子网 络这个极具前景的设想激发了人们研制相关物理过程的极大乐趣。 量子收集由很多存储消息的量子节点和传输消息的量子通道构成,这需 要人们采用新的科学手段发生和操控量子相关和纠缠。按照文献[5,14]中的提 议,量子收集的根基布局可参照图 1.1 中的示企图。图中,立体方块代表量 子收集中的节点,而红色的双向箭头则代表毗连节点的量子通道。量子节点 可用来发生、存储和处置编码正在量子比特中的量子消息,而将这些节点毗连 起来的量子通道将量子比特从一个节点传输到另一节点,正在连结较高保实度 的同时将量子比特间的纠缠特征分布于整个收集。 1 大学博士学位论文 图 1.1 量子收集布局示企图[3]。 关于量子收集的两个主要的研究范畴是腔量子电动力(QED)学中单光子 和原子之间的强耦合感化[15-17]以及基于原子系综的量子消息处置[18,19]。这是 由于正在这些方案中,原子系统将为量子收集供给较长的量子存储时间以及光 取物质之间的量子界面[20,21]。这种光取物质之间量子态的可逆制备,为量子 光学互连供给了根据。虽然这种互联的最后方案仍受限于尝试设备,但正在将 量子消息分布于收集这一研究范畴,人们曾经连续完美了一系列完整的理论 东西,包罗量子中继器[22-25]和基于原子系综的可扩展量子收集[16]。关于正在量 子收集中相关取纠缠的分布,目前较活跃的研究范畴是光取原子系综的彼此 感化,原子系综是由大量不异原子的调集构成。光到物质的量子传态, 通过将光学相关态制备到原子介质的集体自旋态中来实现[26]。基于上述设想 成立的量子收集具有强大的消息处置能力,能完成正在典范物理范畴无法实现 的使命,例如“量子软件”[27]的分布。量子收集正在智能优化和科技立异等前 沿范畴,将为量子消息手艺的成长供给新的机缘和挑和。 2012 年,法国科学家 Serge Haroche 和美国科学家 David J. Wineland 配合获得诺贝尔物理学。两位获者均正在量子光学范畴研究光取物质间的 根基彼此感化[28]。他们极具立异的研究方式,为量子理论带来了冲破性的进 展,也为量子消息手艺的成长带来了新的机缘,即向制制超快量子计较机和 2 第 1 章 绪论 建立量子收集迈出了主要的一步。就如保守电子计较机和笼盖全球的因特网 正在上世纪的影响,量子计较机和量子收集将正在21世纪以同样底子性的体例改 变人们的糊口。 1.2 量子相关效应 近些年来,人们操纵激光取物质彼此感化发生的量子相关效应[29-31],为 量子收集的实现供给了很多新鲜的理论根本和手艺手段。量子相关效应是指 操纵相关激光、原子以及半导体微布局等量子系统,使分歧量子态 之间发生联系关系, 并正在不成分辩的量子跃迁通道之间发生相长或相消, 从 而显著改变介质的内部能级布局和光学特征[32];反之,发生变化的量子系统 又会影响到激光场的性质。光正在以量子相关效应从导的量子消息范畴是至关 主要的。光子本身无分量不带电而且相互之间不易耦合,因而利用它们传送 消息具有很高的并行性。而且,光子的速度很快,具有潜正在的通信和计 算能力,因而是承载量子消息的抱负载体。操纵光子的这些特征,就有可能 正在提高运算速度、增大消息传输能力、确保消息平安等诸多方面冲破现有经 典消息系统固有的。然而,上述长处,即速度快、不易耦合等性质,也 将光场成为消息的存储单位。经研究发觉,实物粒子如原子则可做为理 想的量子消息的存储单位。目前, 量子相关效应正在诸多学科范畴中都有研究 和使用,出格正在原子类系统中实现量子相关调控的根本理论研究方面取得了 良多主要的,例如Hanle效应[33] [34,35] [36] 、光子回波 、量子拍 、相关拉曼拍 [37,38]、自通明[39]、相关粒子数俘获(CPT)[40-43]、无粒子数反转放大激光 [44-46] [47] [48] (LWI) 、受激拉曼绝热输运(STIRAP) 以及自觉辐射相关(SGC) 等等。 1.3 基于电磁通明的光存储 光取物质之间的量子相关效应为实现量子收集供给了强大的东西,人们 曾经提出了很多概念用于量子消息范畴。出格地,光取原子彼此感化发生的 电磁通明(EIT)手艺被很是成功的大量使用正在量子系统中。凡是环境下, 3 大学博士学位论文 光频能否取原子跃迁频次共振决定了光取原子彼此感化的强弱。当光频逐步 接近原子跃迁频次时,它们之间的耦合感化加强。此时,原子将具有较大的 折射率而且对光场具有较强的接收。然而现实上,人们需要正在弱光前提下获 得较大的光学非线性,即要实现正在连结光场不被接收的同时获得较大的折射 [49] 率。1988 年前苏联科学院的 Kocharovskaya 等人 和 1989 年美国斯坦福大 学的Harris[50]小组先后提出了EIT的思惟。随后,Harris小组不只起首利用 [51]  [52] 了 EIT 的概念 ,还初次正在三能级 型布局的锶原子蒸汽中 以及梯型布局 [53] 的铅蒸汽中 察看到了 EIT 现象。当 EIT 效应发生时, 因为强节制场的耦合 感化,量子极大地降低了对弱探测场的线性接收,呈现了通明窗口。同 时,正在近 EIT 共振处,色散特征变的很是锐利,介质对探测光场的折射率发生 急剧的变化,这种色散加强效应将导致探测光的群速度减慢。自从EIT的概念 被提出当前,呈现了多量扩展 EIT 现象使用方面的理论和尝试工做,例如调 [54-57] [59-66] [67] [68-70] 控光速 ,光存储 ,激光锁频 ,以及实现量子逻辑门 等等。  图1.2 (a):三能级 型原子系统;(b):将光束为自旋波的光存储 示企图[71]。 起首我们以图 1.2(a)所示的三能级系统为例,简要引见 EIT 的概念。 一束弱探测场通过光学偶极彼此感化耦合能级 g 和 e ,其电场算符是 ikz ˆ E t a t e ,此中k 代表波矢,a 代表响应的玻色子算符。另一束强  k k  k 1 N   i t z gs ˆ 节制场耦合能级 e 和 s ,其拉比频次为 。算符s z t g s e , c   N j 1 j j z 4 第 1 章 绪论 代表正在原子系综里发生的自旋波,如图1.2(b)中所示。光场和原子自旋的 演化过程能够操纵“暗态极化子”(DSP)理论来进行注释[72-74]。所谓的 DSP 是指由光子和原子自旋形成的一个叠加态,此中的光子分量和原子自旋分量 ˆ 正在分歧前提下能够互相。凡是环境下,DSP 可由 z ,t 来暗示,而且满   脚以下的活动方程:  2  ˆ c cos   z, t 0     (1.1) t z  ˆ ˆ ˆ z ,t cos E z ,t sin s z ,t           (1.2)  cos 2 c 2 (1.3)  g N c at g Nat sin (1.4) 2 2  g N c at g N 此中, 暗示原子和探测场的耦合, at 暗示原子数。暗态极化子的 2 群速度可暗示为V ccos  。 g 从公式(1.3)和(1.4)能够看出,DSP 中的光子分量和自旋波分量的 比例能够通过调控 来改变。跟着节制场强度的添加,光子部门对极化子的 c 贡献将随之减小。若是封闭节制场,群速度V 变为 0,极化子只具有原子成 g 分。如图1.2(b)所示,操纵这个过程,我们能将弱探测脉冲的消息相关的 制备到原子自旋波上,皇冠hga025!也就是说,将其存储正在原子中。对于这种光存储方案, 探测光的最储时间取决于原子自旋波的退相关时间。通过绝热的控 制场,自旋波能被转换回光场。通过调整节制场能使存储效率达到最大。正在 原子系综的光学深度达到无限大的环境下,存储效率能达到1。 5 大学博士学位论文 正在实现光存储手艺的初期,Fleischhauer 和 Lukin 提出可通过绝热地开 [72] 关节制场来存储和提取弱探测脉冲 ,而 Matsko 等人提出非绝热开关节制场 也可以或许实现光存储[59]。2001 年,Phillips 等人正在 EIT 下的热Rb 原子中通过 改叛变制场的强度实现了光脉冲的存取,存储时间遭到原子相关寿命的, [75] 仅有大约 O.5ms 。取此同时, Hau 小组正在超冷钠原子气体介质中察看了光 脉冲的存储和再现[76]。2002年,Mair等人通过正在光存储期间引入一个附加磁 场改变原子相关的相位,从而导致提取的脉冲也呈现一个相位变化[77]。统一 年,Juzeliunas 和 Carmichael 正在理论上研究了原子气中光脉冲的存储和提 [78] [79] [80] 取 , Payne等人 和Fleisehhauer等人 正在探测脉冲取节制场具有失谐的 环境下实现了光脉冲的存取。随后 2003 年,Fleisehhauer 等人又正在挪动的 原子中实现了光脉冲的存取,这项研究申明光存储手艺并不要求节制光场开 关的切确时间[81]。Gao 等人实现了正在肆意偏振态下的弱探测脉冲的存储[82]。 2004年,Raezynski等人正在双型布局实现了光存储[83]。2005年,Li Zhuan 等人也正在双型原子系综里获得了两个同步光信号[62]。 2006 年,的 Yu 小组通过尝试报道了正在激光冷却的87 Rb 原子中操纵 光存储手艺实现的低光能级交叉相位调制(XPM)方案[84]。2008 年,他们又 提出了基于光存储手艺实现低光能级的全光开关的方案[85]。2009 年, Eilam 等人研究了正在一个三能级系统中,通过正在光存储阶段引入弱光场耦合两个 低能级,实现无效的光存储[86]。统一年,Carreño 等人正在非对称的双量子阱 布局中,将 EIT 取隧穿通明手艺相连系,实现了脉冲的存储和[87]。 2010 年,Cho 等人正在 EIT 热原子气体中实现了对热光的存储取提取[88]。他们 的研究成果表白,当探测场是热光时,提取的探测场的光子计数分布满脚玻 色-爱因斯坦分布;当探测场是相关光时,提取的探测场的光子计数分布满脚 泊松分布。2011年,Yu小组研究了正在多普勒增宽EIT介质中的慢光动力学和 光存储过程[89]。2012年,的一个小组正在Pr3+:Y SiO 晶体中,通过EIT技 2 5 术实现了频次和角度多复用的图像存储[90]。基于 EIT 的频次多复用方案 的实现是通过将光脉冲受激存储到原子相关中,由非平均增宽固体介质中的 6 第 1 章 绪论 分歧频次的系综发生。基于 EIT 的角度多复用方案依赖于驱动激光场的相 位婚配环境,这使得通过分歧角度进入晶体的光脉冲能被同时存储。他们提 供的多复用手艺可以或许添加 EIT 驱动光存储的存储能力,出格是能实现多 复用存储或者大的二维图像的存储。 现实上,以上引见的光存储方案有一个严沉不脚,即正在存储过程中光信 号的光学分量为零,以致于我们无法通过非线性光学效应对光信号进行间接 的操控和处置。为了降服这一错误谬误,2003 年,Lukin 小组提出了基于 EIT 原 理的另一个光存储方案:正在将光信号存储于原子自旋相关波包之后,绝热地 一个驻波光场来获得静止光脉冲(Stationary Light Pulses),进而实 现光学分量不为零的光消息存储[91]。这里,之所以会发生无效速度为零的静 止光信号是由于:正在完满驻波光栅光束导致的非线性参量过程中发生的前向 和后向信号光因为慎密耦合且强度不异而处于一种动态均衡形态,谁也无法 占领劣势并从导标的目的[92]。关于静止光信号的研究工做我们将鄙人一章的 第二节中做进一步的细致申明。 因为量子化光场具有消息容量高的特点,因而正在原子介质中实现量子态 的存储将对提高消息传输的容量具有严沉意义[93]。人们正正在勤奋摸索操纵光 场激发的原子相关效应,实现光子取实物粒子之间量子态传输取存储的新机 制,这将会对量子收集的成长起着积极的鞭策感化[94]。 2001 年,Duan 等人初次提出一种操纵原子系综来实现长距离量子通信网 络的实施方案[17],正在此根本上,人们进行了良多量子存储的尝试,这一的 实现标记着消息手艺又向量子标的目的迈出了主要的一步。2003年,美国哈佛大 学的Lukin和理工学院的Kimble两个小组别离操纵原子相关回忆方式完 成了量子联系关系光子对的制备尝试[95,96]。正在 2004年,中国科技大学的郭光灿小 组也操纵原子系综获得了量子联系关系光子对[97]。统一年,Polzik 等人正在铯原子 系综里实现了相关态的量子存储[73]。2005 年,Lukin 小组正在三能级铆原子系 综中,操纵原子相关节制的方式获得了单光子并将其存储正在原子量子回忆拆 置中[98]。同年,Chanelière 等人从一个原子量子回忆安拆上生成单个光子, 7 大学博士学位论文 并将其通过 100 米长光纤传输到第二个原子回忆安拆中进行存储,再将原子 激发转换回具备原有性质的单光子[99]。Kimble小组正在相距2.8米的原子样品 之间制备出量子纠缠对,实现了纠缠量子比特的存储和分布[100]。 2008 年, 的Appel等人第一次报道了铷原子蒸汽中压缩线]。 他们的成果表白,虽然存正在接收和原子退相关效应导致的退化,被提取的光 场模式仍保留了正交压缩,而且提取出的压缩实空态再次沉现了输入光场的 光学相位。同年,日本的 Kazuhito Honda 等人正在超冷Rb 原子介质中实现了 压缩线]。 Choi等人报道了通过相关制备光场的纠缠态, 使两个原子介质发生纠缠[103]。他们通过劈裂单光子态并进行态转移的方式, 分手了纠缠的发生和存储这两个过程。2012年,中国科学手艺大学的潘建伟 小组正在一个原子系综中,通过将双光子纠缠制备到四个全息量子存储器中, [104] 从而实现了双光子Bell型纠缠的全息存储 。 1.4 瞬态通明的超快光学前驱场 跟着调制介质色散性质的手艺手段的成长,典范电穿过一个色散介 质的过程从头惹起了人们的乐趣。例如,操纵相关光学方式[105],人们已 c 经实现了慢光和快光群速度。快光是指光的群速度跨越光速 或者具有负值, 其发生的环境是正在脉冲载波频次处,折射率对于频次的导数是负值(反常色 散)。快光涉及到了消息速度的问题[106],这就取光学前驱场发生了联系关系。 光学前驱场是由 Sommerfeld 和 Brillouin 正在 1914 岁首年月次提出会商的, 用以处理快光和之间的较着矛盾问题[107,108]。他们研究了一个阶跃 脉冲穿过典范的洛伦兹接收线型的电解质。研究成果表白,脉冲的前沿老是 c 以光速 传介质,因而证了然信号的合适的关系。正在前 沿事后,脉冲劈裂成两个小波包,即Sommerfeld前驱场和Brillouin前驱场, 它们别离来历于输入脉冲正在共振频次以上和以下的分歧的光谱成分。随后又 呈现一个大的波包(从体脉冲)。 8 第 1 章 绪论 之后,前驱场现象也别离正在 射线] 等物质中被不雅测到。出格地,因为光学前驱场可以或许穿透进物质深处,正在生物 医学图像[115]和水下通信[116]等范畴有着主要的使用价值,人们对其进行了很多 理论和尝试研究工做[117-121]。 一些研究者指出了正在 Sommerfeld 和 Brillouin 研究中呈现的一些错误, Oughstun 和 Sherman 给出了总结[122]。2006 年,美国的 Jeong 等人初次报道 了对光学前驱场的间接不雅测[114]。正在他们的工做中,通过将一束阶跃调制的激 光脉冲穿过一个线性色散介质的反常色散区域,光学前驱场经由尺度的尝试 安拆能被间接不雅测到。这是因为尝试中所用的钾冷原子介质的共振宽度很窄, 而前驱场的持续时间取共振宽度的倒数相关。尝试成果表白,一部门光场正在 初始的时间后间接呈现,并以接近100%的透射率穿过介质。接下来,正在 瞬态光场后呈现的一部门光场将遵照Beer定律而衰减到一个定值。他们还将 尝试成果取两种分歧的理论进行了比力。一种理论是基于光学波动方程的渐 近线阐发方式和一种电解质的典范模子。操纵这种阐发方式,他们确定了实 验上不雅测到的光场所适前驱场的性质。另一种理论方式是基于慢光变化 和偶极矩近似假定前提下的方程的阐发解,这种方式常被用正在量子光通信领 域。这两种理论都能准确的预测传输光场正在初始时辰呈现的高透射部门。 正在关于典范光脉冲发生光学前驱场的尝试工做中,人们利用的是具有单 个或多个洛伦兹接收线型的欠亨明的介质,前驱场老是取脉冲从体夹杂正在一 起或者从体脉冲被接收。因而,正在提取光学前驱场的同时又保留从体脉冲是 很难实现的。出格地,正在 EIT 感化下,人们才实现了对光学前驱场的间接不雅 测,这是因为脉冲从体正在慢光效应的感化下取前驱场发生了分手[123]。正在不雅测 到双光子联系关系的前驱场的工做根本上[120,121],正在冷原子EIT介质中间接不雅测单 光子前驱场也正在尝试上被验证了[124]。除了EIT效应,近期人们操纵其它的量 子相关机制将光驱前驱场取从体脉冲进行分手,从而实现对光学前驱场的曲 接不雅测。2010年,法国的研究小组操纵光场正在过程中的自通明现象, 将前驱场取从体脉冲进行了很好的分手[125]。2011年,上海光机所的一个小组 9 大学博士学位论文 正在非对称的双量子阱布局中,通过隧穿通明(TIT)感化分手光学前驱场 取矩形调制的光脉冲从体[126]。同年,日本的Makoto Tomita等人通过研究矩 形光脉冲正在耦合环共振器中的过程,操纵耦合共振通明(CRIT)效 应将前驱场取从体脉冲做进一步分手[127]。 出格地,人们还正在 EIT 介质中,操纵光学前驱场取从体脉冲之间的 感化累积光学前驱场效应,从而获得高峰值功率的瞬态光脉冲[128,129]。2012 年,正在室温下的自动拉曼增益介质中,通过多普勒效应实现将前驱场的强度 加强了 20 倍的方案[130]。关于将光学前驱场取 EIT 效应相连系的工做,我们 将鄙人一章第三部门做细致引见。 1.5 本论文的布局及次要内容 本论文次要是以EIT为理论根本,研究了基于光存储手艺发生拍信号、相 干发生双静止光脉冲,以及操纵超快光学前驱场标识表记标帜慢光从体脉冲等光消息 节制机制。正在第二章中,我们沉点引见研究标的目的上的前沿工做,包罗操纵光 存储手艺发生拍信号的相关研究,正在冷原子介质中基于EIT效应发生静止光脉 冲的研究成长和具体使用,以及正在光学前驱场现象取EIT效应相连系的研究领 域的主要进展等。 正在第三章,我们操纵EIT以及光存储手艺获得量子拍信号并对其进行无效 的调控。我们选择四能级tripod型冷原子模子,起首通过调控失谐相等的两 个强节制场,将一束量子探测场正在EIT环境下输入介质并将其存储正在两个原子 自旋激发态中。颠末短暂的存储时间后,绝热具有失谐差的两个强节制 场,使提取出的两部门探测场具有分歧的含时相位,因此发生感化发生 拍信号。拍信号的振荡样式能够通过调制节制场的失谐差和相对相位来实现。 我们还操纵暗态极化子理论(DSP)对拍信号的发生过程进行了深切阐发息争 释。最初我们还给出了这种拍信号正在量子极限丈量方面的使用,即可用来快 速丈量原子跃迁频次以及强度等。 10 第 1 章 绪论 正在第四章,我们研究了正在一个四能级准型冷原子介质中,通过正在光存 储后的提取阶段引入一束微波场来发生拍信号。具体过程是,起首操纵基于 EIT 的光存储手艺将一束量子探测光场输入到型原子样品中并将其转换成 低能级之间的原子自旋波包。正在接下来的提取阶段,同时耦合场取另一 束新引入的微波场,且此微波场将型系统取另一个低能级耦合形成准型 系统。从头提取的探测场被转换成具有分歧含时相位的双通道的光学分量, 发生交替呈现的相长和相消感化,从而呈现出拍信号的形式。经研究发 现,这个现象现实包含了单模暗态极化子和双模暗态极化子的相关转换过程。 进一步,拍信号的拍频、对比度以及相位能够通过微波场的强度、失谐以及 时间来节制。我们还考虑了输出拍信号的能量丧失。最初若将输入的高 斯脉冲替代成矩形脉冲,履历上述过程后可正在输出端获得三部门分手的拍信 号,前两者是光学前驱场,后者是慢光拍信号。正在此模子下,我们更易通过 节制微波场的强度来调控拍信号,反之,这种拍信号也能被用来高精度丈量 微波场的强度。 正在第五章,我们正在驻波场驱动的双 tripod 型冷原子介质中,操纵光存储 手艺,实现了双静止光脉冲的制备和多种体例的,进一步,还将振荡拍 样式加载正在静止光脉冲上并最终将其以拍信号进行。我们起首将量子探 测场存储正在两个原子自旋相关中,通过正在光存储阶段绝热两个前向和两 个后向节制场,正在介质中制备出双色的双静止光脉冲。我们正在暗态极化子图 像下阐发了两个静止光脉冲之间是通过两个原子自旋波包来互相耦合的。静 止光脉冲不只能别离从介质入口处以及末尾处同时输出,而且能以可控的时 间间隔全数从介质末尾处输出。出格地,正在此模子中发生的双色静止光脉冲 不会遭到由原子自旋和光学相关的傅里叶高阶项惹起的快速衰减的影响。另 外,通过调控四个典范节制场,双静止光脉冲能以量子极限拍信号的形式出 现,而且拍频取决于四个节制场的频次特征。最终以拍信号的形式被出 介质。 11 大学博士学位论文 第六章,我们连系 EIT 手艺,操纵光脉冲突变的上升沿或者下降沿发生 的光学前驱场,取从体脉冲发生感化,使其具有振荡的峰值布局从而被 标识表记标帜。我们采用了型三能级和 N 型四能级模子布局共设想了四种分歧的标 记方案,切磋了每个方案的优错误谬误和使用范畴。通过这些方案,我们可以或许实 现对脉冲序列中的某些特殊脉冲的及时标识表记标帜,这正在光通信范畴将具有潜正在应 用价值。 12 第 2 章 取论文相关的研究布景及现状 第 2 章 取论文相关的研究布景及现状 正在量子收集设备中对光消息进行快速处置需要人们切确地节制光脉冲的 。同时,数字信号处置、全息以及量子和典范消息处置很大程度上 都依赖于对相关光脉冲的幅度和相位消息的记实。操纵 EIT 实现相关消息存 储的方式就是,操纵 EIT 介质的峻峭的色散来实现光脉冲的压缩,再将其电 场成分制备到原子的量子叠加态中。本论文次要涉及光场穿过 EIT 介质时存 正在的三种形式,即慢光拍信号、静止光脉冲和超快光学前驱场。做为研究工 做的根本,本章次要引见这三种现象的概念以及它们正在量子消息范畴的成长 现状和具体使用。起首引见基于光存储手艺正在分歧的介质中获得拍信号的从 要研究工做;其次引见针对静止光脉冲的研究成长及其使用环境;最初引见 近年来正在光学前驱场取 EIT 效应相连系这一研究范畴的主要。这些引见 将使我们对相关研究范畴有了全体的认识,同时也为具体研究工做的实施提 供了根本和标的目的。 2.1 基于光存储手艺发生拍信号的相关研究 2.1.1 媒介 相关的节制光场的动力学过程是近年来光量子消息范畴的热点问题。 为了节制弱光信号的动态过程以及弱光信号之间的非线性彼此感化,人 们操纵激光场驱动具有合适能级的原子系综,使其具有特殊的光学性质。例 如,通过驱动原子系综到 EIT 区域,将光群速度减小到 0,从而实现光存储 手艺。此中有一个出格的现象惹起了人们的关心,即输入光场颠末光存储过 程后,通过一些操控手段使提取的光场强度具有振荡的拍信号的样式。人们 操纵这种拍信号,不只能够实现对光信号的调控,而且能够确定原子介质的 性质。这种拍现象现实上源于一种量子效应。 2.1.2 原子系综中获得拍信号 13 大学博士学位论文 操纵光场之间发生的拍现象来确定光场的相位改变是一种很好的方式。 2002年,Mair等人操纵这种方式正在尝试上验证了履历光存储过程前后的光场 是相位相关的[131]。正在他们的工做中,起首操纵EIT手艺使输入脉冲的群速度 减为 0,将光子消息制备到了热原子气体的自旋相关激发中。正在接下来的光 存储阶段,通过引入一个脉冲改变原子自旋激发的相位,并将自旋激发 转换回光场。他们次要利用了一种丈量的方式,通过不雅测到的拍信号获 取探测光场相位改变的消息,从而验证了光存储过程能够保留相位相关这一 特征。 2008年,的Karpa等人研究了正在具有多能级tripod模子的Rb 原子 气体中的光存储手艺[132]。正在这个系统中存正在的两个集体暗态极化子模式形成 了无效的自旋准粒子。正在他们的工做中,同样通过 EIT 动力学过程实现了光 存储。正在光脉冲阶段,呈现了两个光学模式的拍现象,其拍频是原子的 跃迁频次。这一现象为实现原子共振频次的量子极限丈量以及量子光开关提 供了新的方案。 2009年,的这一小组又正在三能级型原子系统中,操纵光学测 量仪发生的拍现象对双光子共振进行了快速切确的丈量[133]。他们的研究成果 表白,对于正在 EIT 通明窗口内的具有肆意双光失谐的输入光脉冲,正在履历光 存储取提取过程后,其载波频次取节制场和原子基态跃迁之间的双光共振频 率是婚配的。 图2.1 (a):输入取输出信号场强度; (b):拍频随强度的变化曲线 章 取论文相关的研究布景及现状 如图2.1所示,输入的约为60s 的矩形光信号脉冲取节制场正在t 0 时辰 被同时封闭。正在履历20s 的存储时间后,只要节制场被以从头提取信号 光场。如图2.1(a)所示,提取的信号光的强度呈现指数衰减的趋向且正在其 顶部呈现快速的振荡布局。这是因为信号场和节制场之间的拍现象惹起的。 节制场和初始的信号场以及节制场取提取的信号场之间的振荡频次,取决于 所记实的信号取正弦调制函数相拟合的成果。图2.1(b)给出了信号场取控 制场之间的拍频的丈量值跟着偏置变化的函数曲线,所有的数据点都是 正在不异的双光子失谐的环境下记实的。他们记实了分歧的偏置环境下的 振荡数据,并连结信号场和节制场的光学频次不变。获得的数据点能够用一 个线性函数很好的拟合,如图中虚线所示。这里所不雅测到的共振拍现象,是 正在具有暗态的光密原子介质中实现的光存储过程所具有的根基特征。对于正在 EIT 通明窗口内的输入脉冲的肆意双光失谐,这个拍都取两个基态子能级之 间的能量劈裂相婚配。这个频次婚配效应能够正在暗态极化子图像下予以注释。 所不雅测到的拍现象为探测基态子能级之间的原子光谱供给了一个新鲜的 方式,这正在原子钟和丈量等范畴都有着潜正在的使用价值。出格地,利用 这种光存储光谱方式探测双光共振频次所需的时间,只占采集一个完整的暗 共振光谱所需时间的很小一部门。此外,这种方案根基不受两束输入光场的 切确光学频次振荡的影响。只需差频振荡不跨越暗共振的光谱宽度,所提取 出的频次差仍锁定正在双光子共振处。 正在量子通信中,单光子是根基的消息载体。凡是单个光子只正在单一通道 上照顾无限数量的消息,然而量子纠缠能够通过稠密编码体例[134,135]添加消息 总量。因而,为了添加消息总量,多通道传输是必需的。2010年,中国华东 师范大学的张卫平小组提出并正在尝试上验证了实现光子的相关频次转换的新 方案。这种方案是通过正在原子系综里的一个拉曼色散过程,基于光子取事后 制备的原子自旋波之间的相关耦合实现的。这里,事后制备的原子自旋波相 当于强耦合场的感化,驱动了光子正在泵浦模式和斯托克斯模式之间的相关振 荡。这种效应雷同于由一束强耦合场驱动的二能级系统中的两个原子态之间 15 大学学博士学位论文文 的拉拉比振荡[136]。正在他们的的工做中,泵泵浦光子和和斯托克斯光光子这两各种模式对两 个原原子态具有相不异的感化用,而事后制制备的原子子自旋波替代代了保守的的原子拉比 振荡荡中耦合两个个态的强驱驱动光场的做感化。 2011 年,山西大学的的王海小组组通过正在一个个 tripod 型型原子系通盘中不雅测读 取信信号光的共振振拍现象,研究了双通通道自旋激发态的量子子的实尝试方案[137]。。 图 2.2 (a):Trripod 型87 Rb 原子系通盘布局图; (b):双双通道光信 息息存储和提取取尝试的拆安拆图。 他们操纵了了 EIT 下的的四能级 trripod 型冷原子系统模模子,如图 2.2(a) 所示示 ,其能级级 a 、 b 、 c 和 e 别离对对应 87 Rb 的的 D1 线, m 1 、 5S1 2 ,F 2,m 1 和 5P ,F 1,m 0 。写入((读取)光场场 W(R)供给供了别离耦合原子跃迁迁 b

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