原子相干介質中探測場的量子噪聲特性研究.pdf

1、原子相干效應是實現(xiàn)量子存儲和量子通信的重要基礎內容。特別是電磁誘導透明效應(EIT)，其可以有效地降低介質對光的吸收，同時增強色散，從而可以應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，無粒子數(shù)反轉放大激光，電磁感應光柵，降低量子噪聲，實現(xiàn)關聯(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絡對高保真度量子存儲的要求。因此，對原子相干效應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的發(fā)展歷程，如相干布居俘獲、電磁誘導透明、量子存儲、電磁誘導吸收、駐波電磁誘導吸收以及無粒子數(shù)反轉激光放大等等。本文緊接著在我們組之前關于優(yōu)化電磁誘導透明介質中延遲光的量子噪聲特性的工作基礎上，主要做了關于激光線寬對原子相干效應的影響，基于

3、EIT效應和Autler-Townes分裂效應(AT分裂)的非經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中輸出場的量子噪聲特性等工作。主要內容包括:
　　1.研究了激光線寬對原子相干效應的影響。我們給激光器的驅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行了電磁誘導透明的實驗，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.研究了非經典光場通過原子相干介質后的輸出噪聲特性。理論證明，在非零探測頻率條件下，通過調節(jié)探測光失諧，可以使我們在位相到振幅噪聲轉化的極小值處保持輸入的量子特性。探測頻率ω越小，則探測光的失諧應相應變大才能得到最優(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)斯塔克分裂誘導下的原子相干介質中非

5、經典光場的輸出噪聲特性。理論基于“Λ型三能級結構+基態(tài)擾動”的實驗模型，通過引入一束相干控制場的作用增加了對原子相干介質操控的自由度。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典量子態(tài)可以在雙透明通道中保持其非經典特性，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?？刂茍龅氖еC對輸出場的噪聲特性也有很大影響，它將導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.針對文獻中有關EIT和AT分裂的區(qū)別與聯(lián)系進行了討論，并得到了區(qū)分二者的判斷標準。利用該判斷標準對非經典光經過原子相干介質后的噪聲譜進行了詳細分析，并且同時考慮了介質的光學厚度對噪聲譜的影響。理論證明非經典態(tài)在AT分裂條件下光疏介質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，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。
　　其中創(chuàng)新性的工作包括:
　　Ⅰ.通過給激光器驅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化的極小值處，并且探測頻率ω越小，則探測光的失諧應相應變大才能得到最優(yōu)的輸出

8、噪聲特性。
　?、?基于“Λ型三能級結構+基態(tài)擾動”的實驗模型，證明了在控制場的作用下原子相干介質可以打開多個透明窗口，并使非經典量子態(tài)在透明通道中保持其非經典特性。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分裂的判斷標準對非經典場通過三能級原子相干介質后的噪聲特性進行了比較。理論證明AT分裂條件下（對應于強耦合場）的光疏或光密介質均可以保持輸入的量