光场操控的两个原子系综的量子关联特性的实验研究

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原子相干操控在量子信息、精密测量和量子成像等领域有着重要的意义。产生原子相干性的常用方法有两种,分别为拉曼散射和电磁诱导透射。拉曼散射在很多科研和工业领域中已经有着广泛的应用,因为拉曼散射产生的散射光场频率与物质能级相关,而且更重要的是散射物质的能级之间还会产生一定的相干性,通过对散射光场和物质相干性进行操控人们将拉曼散射广泛应用于物质检测、精密测量、量子信息、生物成像等众多与我们生活息息相关的技术领域以及一些前沿科研领域。以往的研究大多是在分子中完成的,分子的相干时间短,而量子信息、精密测量以及生物成像的很多应用都是基于长的相干时间来实现的,而原子系综具有较长的相干时间,它成为这些领域常用的一种介质。因此对原子系综中的拉曼散射进行详细的研究对将来的量子信息和精密测量等领域的前沿研究都具有重要的意义,特别是拉曼散射过程中物理量之间的相位关联特性尤其重要,因为量子信息的存储和提取效率、量子成像过程中的信噪比和精密测量中的相位测量等都与光或者原子的相位特性有着很大的关联。由于相位无法绝对测量,对相位的测量和研究必然需要涉及到两个相干源,然后通过干涉的方法来得出这两相干源之间的关联特性。同样电磁诱导透射也可以在原子系综中制备原子相干性,在量子信息等前沿科研领域也有着广泛的应用。对这两个过程进行进一步的深入研究有助于我们将来能更好地操控光与原子作用过程,对量子信息和精密测量领域有着一定的意义。本论文针对这一状况,对拉曼散射过程中两个产物—光和原子相干性的相位特性进行系统的实验研究,并利用电磁诱导透射产生的原子相干性实现了高效率的原子信息的提取。具体如下:第一,在87Rb原子系综中通过两个独立的拉曼过程产生两束独立的斯托克斯光,利用干涉的方法直接观察到了这两束斯托克斯光之间的时间干涉现象;并且实验测量了斯托克斯光场的相位,结果表明拉曼散射产生的托克斯光场相位是随机的;同时还借助强度关联函数研究了温度对实验中失相过程的影响;第二,在87Rb原子系综中利用拉曼散射对原子自旋激发(原子相干性)的特性进行了研究,实验结果表明原子自旋激发与斯托克斯光场一样具有随机的相位;同时也证明了两个完全独立的拉曼散射过程产生的原子自旋激发之间仍然存在关联。第三,在87Rb原子系综中利用干涉的方法同时测量斯托克斯光场和原子自旋激发的相位,结果表明拉曼散射过程中斯托克斯光场相位与原子自旋激发相位之间存在关联关系;并且利用这种相位的关联性实现了高可见度的干涉现象。第四,在电磁感应透明的基础上实现了光信息的存储与读取,同时实验研究了同向和反向读取原子自旋波信息的回复效率,并对实验结果进行了理论分析,实验和理论的结果都表明同向和反向读出效率的高低取决于原子系综中原子自旋波强度的空间分布。这一研究结果对热原子系综在量子光学、量子信息和非线性光学中的应用具有一定的指导意义。
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