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超高光学厚度冷原子系综中的光信息存储

耿娇  
【摘要】:实现光的量子存储具有非常重要的意义,因为量子存储过程可保持光的量子特性,这对于诸如量子保密通信和量子计算等量子信息系统而言至关重要。理想情况下,人们希望获得存储效率接近100%,存储时间长达毫秒乃至秒量级,没有引入任何附加噪声,且具有高带宽,能同时存储多种信息的量子存储系统。鉴于这些要求,在过去几年里,人们提出并发展了多种不同的技术,并在实验上取得了一系列进展。其中之一便是利用电磁诱导透明效应在原子自旋波中实现光的量子存储;另外一个进展是利用梯度回波进行量子存储。理论上,在理想的情况下,这两种方法都可实现存储效率高达100%的高保真度量子存储;实验上,为了提高量子存储效率,人们开展了大量的尝试工作。理论计算指出,提高光存储介质的光学厚度是得到高效存储的关键因素,然而在实验上得到要超高光学厚度的冷原子团是一个巨大的挑战,另外,大的光学厚度会导致另一个问题——四波混频等效应会变得很明显,其在慢光传输的过程中可能产生增益,给输出信号带来噪声,从而限制了量子存储的性能。 针对这些问题,本文详细研究和阐述了我们制备光学厚度高达1000冷原子团的实验方案,以及在此冷原子团系综中基于电磁诱导透明和梯度回波存储技术实现的高效率、长寿命和多模的量子存储过程。 首先,本文研究了在超高光学厚度冷原子系综中利用电磁诱导透明效应实现光脉冲的存储。为了鉴别四波混频效应对存储过程的影响,我们建立了一个简单的四能级模型用于计算说明四波混频对存储结果的影响以及预计可能产生的噪声。实验上,我们分别在铷85和铷87冷原子系综中进行了研究。在这两种同位素中,我们的实验结果均与理论计结果算高度吻合。我们的研究证明:在铷87原子中,四波混频效应可忽略不计,并得出结论:存储一个脉冲宽度时,存储效率为50%;而在铷85原子中,我们发现四波混频效应会在一定程度上影响存储过程。在存储效率为50%的时候,我们得到了delay-bandwidth product约为3.7,这是迄今为止最大的值。在此基础上,我们还成功实现了时间多模脉冲的同时存储,这是量子存储过程的一个重要突破。此外,基于电磁诱导透明的慢光效应,我们将光信号延迟了100微秒,意味着群速度降低至了120m/s。 其次,本文研究了在超高光学厚度冷原子系综中利用梯度回波存储技术实现存储寿命的有效延长和存储效率的有效提高。利用梯度回波存储技术,我们获得了最长相干时间高达350微秒的存储。该存储寿命较热原子蒸汽系统中的寿命提高了6倍。同时基于梯度回波存储技术,我们获得的存储效率高达80%。这是迄今为止基于冷原子系综效率最高的量子存储。 最后,本文阐述了基于冷原子系综的梯度回波实验,我们进行了双频光脉冲的存储。通过利用塞曼分裂的拉曼吸收谱线同时实现两个不同频率信号脉冲的存储,对应的存储效率分别为39%和32%。我们通过实验分析这两个不同频率脉冲之间的相对位相和相对振幅在经过存储并读取后的情况,得到的可见度为82%,基本符合理论上预计的90%的可见度,且两个信号的相位移动期望值为15度。此实验结果对于实现双频量子比特多存储有重要意义。在此基础上,我们进一步拓展提出利用塞曼子能级可进行多通道频率的存储与读取技术。 本文研究的基于超高光学厚度冷原子系综中的高效率、长寿命的存储,以及多模量子存储为今后实现高保真度的量子比特存储奠定了一定的基础,并有望为量子存储和量子计算在今后的有效应用提供一定的指导。


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