基于电磁感应透明和相干拉曼增益的量子相位门和光速减慢

【摘要】： 作为光与物质相互作用的一种基本现象,原子相干效应可用于实现光速减慢和光学非线性增强,从而在以光子为载体的量子信息处理方面有着非常重要的应用并受到了广泛关注。近年来,以原子相干效应为基础,科学家们提出了许多富有创新性的想法,如:全光开关、量子相位门、量子非破坏性测量、全光量子计算等。而这些目标的实现都是以光学非线性为基础的,尤其是三阶Kerr非线性具有举足轻重的作用。在一般的光学介质中,非线性效应是非常弱的,并且伴随着各种我们竭力想避免的线性和非线性吸收。然而,电磁感应透明(EIT)技术则可以同时实现吸收减弱和光学非线性增强。只是在EIT系统中要使两个弱光(作为量子比特)之间的非线性耦合显著增强需要比较严格的条件,这就是必须使探测光和信号光稍微偏离双光子共振条件。 在本文中我们分别分析了相干驱动的一个四能级和一个五能级系统,讨论和分析了在四能级系统中通过拉曼增益实现光速减慢的方案;在五能级系统中利用EIT效应和拉曼增益来实现光速减慢与光学非线性增强的可能性,以及量子相位门的实现。 本论文共分四个部分,具体内容如下: 1.介绍原子相干效应,尤其是电磁感应透明。并对基于电磁感应透明的慢光和增强Kerr非线性的发展与现状做以介绍。 2.介绍研究原子相干的基本理论工具:光和原子相互作用的半经典理论。并以此为基础研究了二能级与三能级电磁感应透明系统的吸收和色散性质。 3.提出了一个实验上可行的弱微波场驱动的四能级系统,并针对这个系统提出用拉曼增益机制实现光速减慢,并最终在理论上证实了这个光速减慢方案的可行性。 4.提出了一个在实验上切实可行的、对称的五能级原子系统,并针对这个系统提出两种方案(EIT方案、拉曼增益方案)来实现Kerr非线性的增强,并使两个弱场之间的群速度匹配;交叉相位调制达到π,并用于偏振量子相位门操作。最后,给出了一个利用两比特量子相位门、单量子比特Hadamard门和光学延迟线来实现三光子GHZ纠缠态的方法。