利用铷原子系综中四波混频过程制备光场非经典态

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光场非经典态(如纠缠态、压缩态、单光子态、薛定谔猫态等)是用经典电磁学理论不能描述的。它们本身既是量子光学与原子分子物理中一个重要的研究课题,又是研究这些领域必不可少的工具。一些重要的涉及量子物理基本问题的探索都需要利用纠缠态与单光子态,例如EPR (Einstein-Podolsky-Rosen)纠缠、量子非定域性以及Bell不等式的实验验证等。此外,纠缠态与单光子态分别构成了连续变量与分离变量量子信息技术的基础。因此,制备理想的纠缠态与单光子态一直是量子光学研究与量子信息技术中极其重要的研究课题。本论文将主要介绍以下四项工作:1.我们以半导体激光系统为泵浦源,利用热铷原子蒸汽中非简并四波混频过程产生量子关联孪生光束,实现了-7 dB强度差压缩,并在低频至8 kHz处观察到压缩。据我们所知,这是第一次利用半导体激光器作为泵浦源实现的kHz水平的强度差压缩。2.多组份量子关联与纠缠对于基础科学研究与未来量子信息技术的发展都具有重要意义。我们理论提出了利用级联四波混频过程产生多个量子关联光束的方案,其主要优势是关联程度随着光束数目增加而增大。为了验证我们的方案,我们利用两个级联四波混频过程产生了三束量子关联光束,其强度差压缩度高于单个四波混频过程产生的孪生光束的压缩度。3.单光子与单光子量子比特构成了分离变量量子信息处理技术(如量子密码学,量子通信,量子中继器与量子计算)的基础。我们利用原子蒸汽中自发四波混频过程产生的双光子对实现了预告式单光子源,并以此为基础实现了基于集体自旋激发的任意光学量子比特。我们利用量子层析技术重构了单光子态与量子比特的密度矩阵与Wigner函数。4.精确掌握单光子态时间模式函数对于提高量子密码学、量子计算等量子信息处理技术的效率具有重要意义。我们提出并实验实现了一种可以获得单光子态完整时间模式函数的方法——多色光学差拍层析技术。这种方法利用测量平衡零拍探测器在多个本振光频率下光电流的自关联函数来获得信号光子的时间密度矩阵,从而获得其时间模式函数。我们在三种不同实验条件下测试了我们的方法,实验结果与理论预测几乎完美符合。
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