【摘 要】
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量子噪声的压缩是量子光学、激光物理和非线性光学的关键课题之一,并在高精度测量中得到了广泛的应用。当一个正交的量子涨落降低到最小不确定态以下,共轭正交的量子涨落增强时,就定义了光场的压缩。其中高阶压缩态是量子计算和纠缠蒸馏的重要资源,因为它们可以提高量子信息任务的效率。由于原子的相干或耗散相互作用,Bogoliubov模向真空态的演化导致了所涉及的光场的二阶压缩。到目前为止,还没有任何报道表明库工程
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量子噪声的压缩是量子光学、激光物理和非线性光学的关键课题之一,并在高精度测量中得到了广泛的应用。当一个正交的量子涨落降低到最小不确定态以下,共轭正交的量子涨落增强时,就定义了光场的压缩。其中高阶压缩态是量子计算和纠缠蒸馏的重要资源,因为它们可以提高量子信息任务的效率。由于原子的相干或耗散相互作用,Bogoliubov模向真空态的演化导致了所涉及的光场的二阶压缩。到目前为止,还没有任何报道表明库工程与高阶压缩有任何关系。论文的动机是填补这方面的空白。这里把库耗散相互作用推向高阶压缩,它不是简单地由二阶压缩决定的,而是由涉及高阶矩的不同标准决定的。一方面,我们用相干布居捕获(CPT)的原子库Bogoliubov模向真空态的耗散演化,然后产生几乎理想的四阶压缩(90%~100%)。另一方面,我们试图增加一个二能级原子团来弥补一个二能级原子库缺失的耗散通道,提出了一种利用两个两能级原子系综来产生高阶压缩的双模光场的方案。一、我们提出了一种基于CPT的两个光场的高阶压缩方案。由于本征双光子过程是由原子基态间的修饰场引起的,所以该方案对自发辐射具有较强的抑制作用,而且在实际的原子或分子系统中更易于实验实现。文中详细地给出了一个好的高阶压缩满足的条件,分别是(ⅰ)r>>1 or sinh(2r)>>1;(ⅱ)Al>>κl cosh2r;(ⅲ)Rl=(Al-Bl)sinh(2r)>>Bl。条件(ⅰ)定义了一个可能大的压缩,条件(ⅱ)支持诱导相互作用对环境阻尼的支配性,条件(ⅲ)代表了大压缩参数与主导诱导耗散的良好相容性。现在问题的关键在于我们能否找到一个现实的原子或分子系统符合条件(ⅰ-ⅲ)的,以及满足条件的基于CPT和一个二能级原子相互之间的比较。由于原子基本处于基态,所以该机制对自发辐射具有较强的抑制作用。压缩是基于两个原始场通过压缩参数r形成的Bogoliubov模的耗散效应。由r定义的压缩度是否达到预期结果,取决于净耗散率△A是否足以支持一个相当大的兼容性参数R=△A sinh(2r)。sinh(2r)和△A作为库的两个代表性特征,在作为系统相关的非线性函数x于0时相反的发生变化。当压缩参数以反比形式sinh(2r)(?)1/x→∞上升时,净耗散率趋向于零△A → 0。基于CPT的原子库对两个耗散通道有x线性依赖关系(C为合作参数,κ为腔衰减率)并维持R(?)κC,这个值大到足以维持理想的四阶压缩。与之形成鲜明对比的是,一个二能级原子库对一个耗散通道有x2依赖关系,并产生一个有限的压缩。二、我们使用两个近共振修饰原子作为耗散库来产生高阶双模压缩。高阶压缩程度和一个二能级原子库相比得到了明显的增强。这主要是由于修饰场引起的非线性所产生的另一种Bogoliubov模。两种Bogoliubov模向各自的真空态的共同耗散演化导致了所涉及光场的高阶压缩增强。压缩参数和净耗散率是量子关联的两个决定性因素,它们与原子场失谐有很强的负相关关系。最优压缩出现在比较中间的区域,其中压缩参数和耗散率都相当大。通常认为高阶压缩是由参量过程产生的,就像二次压缩一样。但是我们的方案是库耗散过程产生的。在共振或接近共振时,原子的吸收会伴随着自发辐射,这就破坏了耦合光场中任何可能存在的压缩现象。为了克服这个障碍,必须在远离共振的状态下工作,原子主要停留在基态,然后不再有自发辐射。同时,色散相互作用在吸收相互作用之上。我们发现:第一,近共振原子场相互作用可以产生高阶双模压缩的量子涨落。这与色散相互作用形成了鲜明的对比。第二,与只有一个Bogoliubov模的情况相比两种Bogoliubov模向自身真空态的耗散可以增强高阶压缩。此外,耗散通道的不对称性和两个耗散通道之间相位的不匹配会严重影响压缩度。第三,在物理上,最优压缩出现在归一化失谐的中间区域,其中Bogoliubov模的压缩参数和耗散率都相当大。由于库工程损耗相对于真空损耗占主导地位,只保留了由压缩参数中间区域定义的压缩,因此可以达到的压缩受到一定的限制。
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