冷原子系综中DLCZ写过程腔增强的实验研究

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上世纪80年代,随着量子理论与方案的不断完善,量子信息做为一个新兴的研究领域得到了人们的关注。量子通讯作为量子信息最重要最核心的部分,其最吸引人们的特性在于可以实现物理层面的信息安全传输,而这种安全基于一种奇特的量子态---光量子纠缠态。量子存储是实现长距离量子通讯、构建光量子网络的关键技术,它要求能够对光量子态进行长时间的存储和高效的相干读出。目前,人们已经利用许多物理过程如电磁感应透明(Electromagnetically induced transparency(EIT))、自发Raman散射(SRS)、梯度回波技术、原子频率梳(AFC)以及远失谐Raman相互作用等实现了量子存储过程。其中SRS是一种量子存储的有效方法。由于冷原子系综具备的集体增强效应,以及相比于热原子具有更长的相干时间等优点,迅速成为了量子存储以及量子通讯的核心载体。自2001年,段路明等人提出了利用原子系综中自发拉曼散射过程构建光与原子纠缠界面的Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)方案后,各种基于DLCZ量子记忆的量子中继方案被相继提出,并部分已经在实验上被演示,基于原子的量子信息领域得到了长足的发展。近些年来,由于拉曼过程的低成功率难以满足实用化发展,人们开始探索如何提高纠缠光子的产生率,如时间倍增、空间倍增等方案,这些方案都成功的实现了光与原子纠缠产率的倍增。2010年,C.Simon等人理论上提出了可以通过利用Stokes光子与光学腔共振的方式来提高纠缠光子对的产生几率。2020年Lukas Heller等人通过将原子置于光学腔内部首次实现了这一方案,实验实现了纠缠光子对产率的增加。此后腔与DLCZ结合的方案受到广泛关注。本文在87Rb冷原子系综中通过自发拉曼散射过程产生了光与原子纠缠。利用光学腔来增强光与原子相互作用,使DLCZ写过程中Stokes光子的产生率提高了8.7倍。开展了时间多模光与原子纠缠源的制备,利用Field-Programmable Gate Array(FPGA)的反馈控制系统实现了18倍倍增的时间多模存储。主要完成的工作包括以下几个部分。(1)DLCZ写过程腔增强实验研究。在单模DLCZ实验的基础上,原子系综被放置在一个与斯托克斯光子共振的驻波腔中用来增强Stokes光子与原子的耦合强度,实验观测到,斯托克斯光子的产生几率是无腔时的8.7倍,与理论很好的拟合。本工作为提高光与原子纠缠的产生提供了实验基础。(2)时间多模光与原子纠缠源的制备。将一系列写光脉冲在不同的时间以不同的小角度作用于原子系综。我们获得了19个光子-自旋波模式对。结合FPGA反馈控制系统对Stokes光子相关联的自旋波模式进行读出。通过该方案,我们获得了时间多模光与原子纠缠界面,纠缠光子对的产生几率是单模实验的18倍以上,测得纠缠源的寿命为30μs,Bell参数为2.30±0.02,保真度为85.9%。该工作为量子中继中提高纠缠分发的速率提供了可行方式。
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