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压缩真空场在EIT原子气体中的传输和存储

丁家琳  
【摘要】:基于原子的干涉效应,可以实现诸如无反转激光(LWI)、相干粒子布居捕获(CPT)等物理现象,其中最重要的一个原子相干现象就是电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,简称EIT)。该现象是指在一束较强相干场的作用下,多能级原子对探测光不吸收的物理现象。自Harris等人在实验上观测到这一物理想象之后,人们开展了许多关于EIT效应的研究。目前,EIT已经是一项具有重要意义和应用前景的技术,它在慢光传播,光量子信息存储,光学开关,量子纠缠等众多领域中都有着广泛的应用。本论文的重点是讨论量子探测光在EIT原子介质中的传输和储存。本论文的结构安排如下: 第一章,回顾了EIT现象的基本概念以及发展历史,并简述了EIT现象的相关应用和研究现状。 第二章,分别采用半经典理论和全量子理论介绍了光场与原子介质的相互作用。以三能级Λ型原子系统为例,介绍了原子对光场的吸收、色散特性和光速减慢现象。然后,利用暗态从理论上解释了EIT现象。 第三章,详细地介绍了暗态极化子的概念以及利用暗态极化子如何实现光量子信息存储。 第四章,我们基于五能级三重Λ型原子系综,讨论了三个多模量子场和三个经典控制场与此系统的相互作用。利用暗态极化子理论,研究了光量子信息在该量子系统中的存储和释放。此外,在释放光量子信息的过程中,通过绝热的调节控制场的拉比频率,可以得到纠缠光子态。特别是在一定的条件下,利用该系统可以制备一系列的W态。这在量子通信和量子计算中都有着潜在的应用。 第五章,详细分析了两个相干控制场和一个压缩真空探测光场与四能级三脚架型原子系统的相互作用。在不同的失谐情况下,利用该系统可以实现压缩真空场的单重和双重诱导透明,以及在不同透明情况下的保存和转换。特别是在双重透明情况下,压缩真空场在两个透明点处都能保持完好的压缩。此外,我们系统的讨论了原子基态非相干衰变以及朗之万量子噪声对压缩性质的影响。尤其讨论了探测光场的压缩性质在光场与原子相干或暗态极化子之间的转换:若不考虑朗之万噪声,压缩真空场与原子相干之间的准理想压缩转换都能得以实现;如果考虑朗之万噪声,原子相干的压缩性质在共振处将被朗之万噪声淹没。然而对于暗态极化子的情况,却发现转换到其中一个极化子分量的压缩会被破坏,而转换到另一个极化子分量的压缩仍能完好地保持而不受朗之万噪声的影响。 第六章,我们研究了N个四能级原子系统与两个正交偏振压缩真空探测光场的相互作用。在EIT条件下,通过计算并分析输出探测光场的压缩和纠缠谱,得知探测光场的压缩和纠缠性质都能在EIT介质中得到完好的保存。由于系统的对称性,两光场将以相同的群速度在EIT介质中传播,这克服了由于传输不匹配带来的损耗和实验测量的不方便。另外,还讨论了原子基态非相干衰变率对双模输出压缩光场的纠缠和压缩性质的影响。我们发现基态非相干衰变率会弱化探测光场的纠缠和压缩。尤其是当衰变率增加到一定值时,双模压缩场将失去这些量子特性。


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