【摘要】：電磁感應(yīng)透明(EIT)是由于量子干涉所導(dǎo)致的一種原子相干效應(yīng),可有效抑制光場的共振吸收,同時(shí)增強(qiáng)介質(zhì)的色散和非線性效應(yīng)。近年來,EIT介質(zhì)已經(jīng)被成功作為信息存儲單元應(yīng)用于量子網(wǎng)絡(luò)。隨著光量子通信的蓬勃發(fā)展,人們對相干原子介質(zhì)提出更全面的要求,比如操控光信號的傳輸以及制備非經(jīng)典光場。前者能有效補(bǔ)償傳輸過程的光子損耗并作為通信過程中的光量子器件;后者可直接將量子關(guān)聯(lián)光場的頻段拓展至原子吸收線,實(shí)現(xiàn)量子信道與量子節(jié)點(diǎn)之間高效率的信息交互,并且產(chǎn)生的光場具有線寬窄、相干長度長等優(yōu)點(diǎn)。利用原子系綜產(chǎn)生關(guān)聯(lián)光場的過程因?yàn)闊o需光學(xué)諧振腔,容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)空間模式的同時(shí)放大,從而獲得高維度的量子關(guān)聯(lián),為并行量子計(jì)算、量子密集編碼、提高量子成像質(zhì)量等提供了技術(shù)保障。另外,本文以銫原子的D1線躍遷能級為研究對象,其對應(yīng)的光源為895 nm,與InAs量子點(diǎn)激子發(fā)射的波段相匹配,為原子和固態(tài)系統(tǒng)之間的相干界面搭建了橋梁。全文圍繞著這樣的思路,首先介紹了EIT、電磁感應(yīng)吸收光柵、無反轉(zhuǎn)放大、雙EIT和四波混頻的基本概念、產(chǎn)生機(jī)制并回顧國內(nèi)外在相關(guān)方向的研究進(jìn)展及應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上開展了對原子系綜內(nèi)光子晶體、EIT光放大、連續(xù)變量量子關(guān)聯(lián)光場的實(shí)驗(yàn)與理論研究。1)研究了基于EIT的光子晶體對光場傳輸特性的操控。利用駐波場耦合三能級的EIT介質(zhì),構(gòu)造出折射率在空間周期排列的一維光子晶體結(jié)構(gòu),從而獲得對入射光束高效率的布拉格反射信號,并完全阻止其在共振頻率處的傳輸,實(shí)現(xiàn)了一種動態(tài)可控的近似光子頻率帶隙。理論上采用傳輸矩陣的方法,融合了EIT介質(zhì)的量子干涉效應(yīng)與折射率周期調(diào)制的光子晶體特性,對探針場的透射和反射進(jìn)行數(shù)值模擬,得到與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的較好吻合,證實(shí)了原子介質(zhì)內(nèi)部存在光子晶體結(jié)構(gòu)。2)研究了Tripod型Dual EIT透明窗口處的高增益相干光放大。在三能級∧型EIT基礎(chǔ)上額外引入一束信號光,作用于第三個(gè)基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的躍遷。掃描探針光頻率,其透射譜線中會出現(xiàn)兩個(gè)EIT窗口,它們的頻率相近時(shí)存在相互耦合,增強(qiáng)基態(tài)之間的原子相干性。在利用Dual EIT抑制光場吸收的同時(shí),借助基于自旋交換碰撞的布居數(shù)轉(zhuǎn)移機(jī)制來增加第三個(gè)基態(tài)上的原子數(shù),進(jìn)一步提高信號光的泵浦速率,實(shí)現(xiàn)透明窗口內(nèi)的相干光放大。理論計(jì)算得到的增益譜與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也符合較好。3)對四波混頻產(chǎn)生EPR糾纏態(tài)光場的理論分析。由雙∧型三能級光與原子耦合體系的哈密頓量出發(fā),提出將原子算符等效為光場算符與泵浦場和原子參數(shù)的乘積。對量子化光場做二階微擾近似并提取四波混頻的相位匹配項(xiàng),得到描述放大過程的有效哈密頓量：利用原子的三階非線性效應(yīng),將兩個(gè)泵浦光光子的能量轉(zhuǎn)換為一對斯托克斯和反斯托克斯光子。由EPR糾纏判據(jù)分析了兩光場正交分量之間的不可分性,討論了泵浦失諧、超精細(xì)分裂能級間隔、相互作用長度、泵浦功率以及自發(fā)輻射噪聲對糾纏的影響,為實(shí)驗(yàn)獲得最大糾纏提供了充分的理論依據(jù)。4)研究了銫原子D1線高維度量子關(guān)聯(lián)光束的實(shí)驗(yàn)制備。將TEM01的厄米高斯橫模注入四波混頻的光放大器,獲得了一對TEM01高階模式的量子關(guān)聯(lián)光束。對它們的空間子模式進(jìn)行提取,分析光場子模式之間的強(qiáng)度噪聲關(guān)聯(lián)特性,獲得同時(shí)具備時(shí)域和空間域的2.5 dB的高維度量子關(guān)聯(lián)光束,提高了光場加載信息的能力。其中創(chuàng)新性的工作如下：Ⅰ.理論上從光子晶體的角度去分析探針光在電磁感應(yīng)吸收光柵內(nèi)的傳輸,驗(yàn)證了系統(tǒng)內(nèi)部光子晶體結(jié)構(gòu)與EIT的有機(jī)結(jié)合。Ⅱ.借助Dual EIT的能級配置首次在實(shí)驗(yàn)上獲得對EIT的相干光放大。利用光學(xué)厚介質(zhì)內(nèi)自旋交換碰撞引起的布居數(shù)轉(zhuǎn)移機(jī)制來提高信號光泵浦能態(tài)的布居數(shù),從而在較低的泵浦功率下即可獲得很高的增益。Ⅲ.結(jié)合二階微擾近似的理論與四波混頻過程的相位匹配條件,首次給出雙∧型光-原子耦合體系的有效哈密頓量來類比非簡并光學(xué)參量放大過程。對比銣和銫兩種原子介質(zhì),提出限制糾纏度的最主要因素在于基態(tài)超精細(xì)分裂的大小。Ⅳ.利用TEM01的高階厄米高斯橫模作為四波混頻放大過程的種子光,首次在實(shí)驗(yàn)上獲得銫原子吸收線附近的高維度量子關(guān)聯(lián)光束。
[Abstract]:Electromagnetic induction transparent (EIT) is a kind of atomic coherence effect caused by quantum interference, which can effectively restrain the absorption of light field and enhance the dispersion and non-linear effect of the medium. In recent years, EIT media have been successfully applied to quantum networks as information storage units. With the vigorous development of D2D communication, more comprehensive requirements for coherent atomic media, such as the transmission of optical signals and the preparation of non-classical optical fields, are proposed. the former can effectively compensate the photon loss of the transmission process and act as the light-emitting device in the communication process; the latter can directly extend the frequency band of the quantum-related optical field to the atomic absorption line, realize the high-efficiency information interaction between the quantum channel and the quantum node, and the generated optical field has a line function, and has the advantages of long chain length and the like. The process of generating an associated optical field by using an atomic ensemble is provided with the technical guarantee for parallel quantum computation, quantum dense coding, improved quantum imaging quality and the like by simultaneously amplifying a plurality of spatial modes without the need of an optical resonant cavity. In addition, using the D1 line transition energy level of caesium atom as the research object, the corresponding light source is 895 nm, matching with the wave band emitted by InAs quantum dot exciton, and a bridge is built for the coherent interface between the atom and the solid state system. In this paper, the basic concepts of EIT, electromagnetic induction absorption grating, non-inversion amplification, double EIT and four-wave mixing are introduced, and the research progress and application of EIT, electromagnetic induction absorption grating, non-inversion amplification, double EIT and four-wave mixing are introduced. In this paper, the experiment and theoretical research of photonic crystal, EIT optical amplification and continuous variable quantum correlation optical field in atomic ensemble are carried out. The control of the optical field transmission characteristics of photonic crystal based on EIT is studied. using a standing wave field to couple a three-level EIT medium, a one-dimensional photonic crystal structure with a refractive index arranged in a space cycle is constructed, so that the Bragg reflection signal with high efficiency for the incident light beam is obtained, and the transmission of the Bragg reflection signal at the resonance frequency is completely prevented, a dynamic controllable approximate photon frequency band gap is realized. By adopting the method of transmitting matrix theoretically, the quantum interference effect of EIT medium and the photonic crystal characteristics of refractive index period modulation are fused, and the transmission and reflection of the probe field are simulated numerically to obtain good agreement with the experimental phenomenon, The photonic crystal structure inside the atomic medium is confirmed. 2) The high-gain coherent light amplification at the transparent window of the Opod-type Dual EIT is studied. A beam of signal light is additionally introduced on the three-level EIT base, acting on the transition between the third ground state and the excited state. Two EIT windows appear in the transmission spectral lines of the scanning probe. Their frequencies are close to each other, and the atomic coherence between the ground states is enhanced. At the same time, using Dual EIT to suppress the absorption of optical field, by means of the spin-exchange collision-based transfer mechanism of the cloth residence, the valence of the third ground state is increased, the pumping speed of the signal light is further improved, and the coherent light amplification in the transparent window is realized. The gain spectra and experimental results obtained by theoretical calculation also accord with the experimental results. The theoretical analysis of the EPR entangled state light field is generated for the four-wave mixing. The product of atom operator equivalent to light field operator and pump field and atomic parameter is proposed based on the Hamiltonian of the two-phase three-level light and atom coupling system. A two-order perturbation approximation for the quantized optical field is made and the phase matching term of the four-wave mixing is extracted to obtain the effective Hamiltonian describing the amplification process: the energy of the two pumping light photons is converted into a pair of Stokes and anti-Stokes photons by using the third order nonlinear effect of the atom. The inseparability between orthogonal components of two optical fields is analyzed by EPR entanglement criterion, and the effects of pump detuning, ultra-fine splitting energy level interval, interaction length, pump power and spontaneous emission noise on entanglement are discussed. In this paper, we provide sufficient theoretical basis for the experiment to obtain the maximum entanglement. 4) The experimental preparation of the high-dimension quantum correlation beam with the cesium atom D1 line is studied. A pair of TEM01 high-order modes of quantum correlation beam are obtained by injecting the Em Gaussian transverse mode of TEM01 into the optical amplifier with four-wave mixing. The spatial sub-modes are extracted and the correlation characteristics of the intensity noise between the optical field sub-modes are analyzed to obtain the high-dimension quantum-associated light beams with the time-domain and the spatial domain of 2.5 dB, and the capacity of the optical field loading information is improved. The innovative work is as follows: I. In theory, the transmission of the probe light in the electromagnetic induction absorption grating is analyzed from the angle of the photonic crystal, and the organic combination of the photonic crystal structure inside the system and EIT is verified. II. The second EIT's energy level configuration was used for the first time to gain amplification of the coherent light for EIT. By using the cloth displacement mechanism caused by the spin-exchange collision in the optical thick medium, the cloth residence number of the signal light pump energy state can be improved, so that a high gain can be obtained under the lower pump power. III. Based on the theory of the second order perturbation approximation and the phase matching condition of the four-wave mixing process, the effective Hamiltonian of the two-mode optical-atomic coupling system is given for the first time to analogize the process of non-degenerate optical parametric amplification. The most important factor to limit the entanglement degree is the size of the ultra-fine splitting of the ground state. IV. A high-dimensional quantum correlation beam near the absorption line of caesium atom was obtained on the experiment for the first time by using the high order Ermi Gaussian transverse mode of TEM01 as the seed light of the four-wave mixing amplification process.
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O43

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;中國科大首次發(fā)現(xiàn)量子關(guān)聯(lián)可以不被環(huán)境破壞[J];中國科技信息;2010年11期

2 ;中國科學(xué)技術(shù)大學(xué):首次發(fā)現(xiàn)量子關(guān)聯(lián)可以不被環(huán)境破壞 首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了過氧化物的存在[J];安徽科技;2010年05期

3 許金時(shí);李傳鋒;張永生;郭光燦;;量子關(guān)聯(lián)[J];物理;2010年11期

4 桂衛(wèi)軍;江民斌;;一類X-態(tài)量子關(guān)聯(lián)的幾何測量[J];量子電子學(xué)報(bào);2011年04期

5 王飛;肖明;;非絕熱消除條件下輸出邊頻量子關(guān)聯(lián)[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2012年12期

6 樊開明;張國鋒;;阻尼Jaynes-Cummings模型中兩原子的量子關(guān)聯(lián)動力學(xué)[J];物理學(xué)報(bào);2013年13期

7 席政軍;李永明;;測量誘發(fā)的關(guān)聯(lián)分布[J];中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2013年09期

8 周濤;龍桂魯;傅雙雙;駱順龍;;量子關(guān)聯(lián)簡介[J];物理;2013年08期

9 張國鋒;;固態(tài)格點(diǎn)自旋體系中的量子關(guān)聯(lián)[J];物理;2013年08期

10 杜少將;夏云杰;滿忠曉;張英杰;段德洋;;基于弱測量操作下的量子關(guān)聯(lián)動力學(xué)及關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)移[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2013年11期

相關(guān)會議論文 前10條

1 王X;張秀婷;崔亮;楊磊;李小英;;便攜式全光纖量子關(guān)聯(lián)光源[A];第十五屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2012年

2 榮星;王梓翔;金芳洲;耿建培;馮鵬博;徐南洋;王亞;居琛勇;石名俊;杜江峰;;固體體系中基于量子失諧的無糾纏量子關(guān)聯(lián)的研究[A];第十七屆全國波譜學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2012年

3 胡雪元;;局域信道的量子關(guān)聯(lián)產(chǎn)生能力[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2014年

4 劉金明;郭慧;張成杰;C.H.Oh;;噪聲環(huán)境下三體類W態(tài)的量子關(guān)聯(lián)動力學(xué)[A];第十五屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2012年

5 崔亮;楊磊;李小英;;基于光子晶體光纖的量子關(guān)聯(lián)光子對[A];第十三屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會論文摘要集[C];2008年

6 何瓊毅;王猛;龔旗煌;;連續(xù)變量多體系統(tǒng)中的量子關(guān)聯(lián)及其應(yīng)用探討[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2014年

7 李艷杰;劉金明;;極性分子擺動態(tài)的三體量子關(guān)聯(lián)特性[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2014年

8 樊開明;張國鋒;;T-C模型中兩原子量子關(guān)聯(lián)與量子糾纏的分析[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2014年

9 郭苗軍;周海濤;王丹;張俊香;朱詩堯;;銫原子汽室中頻差18.4GHz量子關(guān)聯(lián)的產(chǎn)生[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2014年

10 荊杰泰;;利用級聯(lián)四波混頻過程產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)多光束的實(shí)驗(yàn)研究（英文）[A];第十六屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會報(bào)告摘要集[C];2014年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前3條

1 記者 吳長鋒;中國科大首次發(fā)現(xiàn)量子關(guān)聯(lián)可以不被環(huán)境破壞[N];科技日報(bào);2010年

2 記者 吳長鋒 通訊員 楊保國;經(jīng)典噪聲環(huán)境存在量子關(guān)聯(lián)恢復(fù)現(xiàn)象[N];科技日報(bào);2013年

3 記者 李陳續(xù) 通訊員 楊保國;我科學(xué)家觀測到經(jīng)典噪聲環(huán)境中量子關(guān)聯(lián)恢復(fù)現(xiàn)象[N];光明日報(bào);2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 郭苗軍;銫原子系統(tǒng)中量子關(guān)聯(lián)及光子晶體特性的實(shí)現(xiàn)[D];山西大學(xué);2014年

2 劉思遠(yuǎn);多體系統(tǒng)中的量子關(guān)聯(lián)分配及相關(guān)問題[D];西北大學(xué);2015年

3 徐玉良;自旋系統(tǒng)量子關(guān)聯(lián)與量子相變[D];曲阜師范大學(xué);2015年

4 王國友;開放系統(tǒng)的量子非馬爾科夫性和量子關(guān)聯(lián)[D];湖南師范大學(xué);2015年

5 張超;基于高保真度多光子糾纏源的量子關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

6 金芳洲;基于自旋體系的量子關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

7 郭有能;經(jīng)典噪聲環(huán)境下量子系統(tǒng)的量子關(guān)聯(lián)動力學(xué)[D];湖南師范大學(xué);2015年

8 杜少將;量子關(guān)聯(lián)動力學(xué)演化及其優(yōu)化調(diào)控[D];曲阜師范大學(xué);2015年

9 王冬梅;腔QED和超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)中的幾何量子關(guān)聯(lián)的控制[D];浙江大學(xué);2016年

10 武少雄;量子關(guān)聯(lián)及量子開放系統(tǒng)量子特性的理論研究[D];大連理工大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 梁樹琴;粒子在格點(diǎn)環(huán)上的量子行走[D];山西大學(xué);2014年

2 岑學(xué)琴;關(guān)于量子系綜對和量子系綜序列量子關(guān)聯(lián)性的研究[D];陜西師范大學(xué);2015年

3 王紅麗;銫原子介質(zhì)中受激拉曼四波混頻增益的實(shí)驗(yàn)研究[D];山西大學(xué);2015年

4 馬凌宇;高斯量子discord的遠(yuǎn)程傳輸[D];山西大學(xué);2015年

5 李衛(wèi)東;耗散電路量子電動力學(xué)系統(tǒng)中量子關(guān)聯(lián)的研究[D];江西師范大學(xué);2015年

6 溫蘇菁;非均勻海森堡自旋鏈量子關(guān)聯(lián)的控制與傳輸研究[D];江西師范大學(xué);2015年

7 李欣;自旋鏈系統(tǒng)中的量子關(guān)聯(lián)研究[D];山西大學(xué);2014年

8 王琳;開放系統(tǒng)的量子關(guān)聯(lián)和相干性的研究[D];大連理工大學(xué);2015年

9 楊振華;雙模連續(xù)態(tài)量子關(guān)聯(lián)的度量[D];大連理工大學(xué);2015年

10 范為;開放系統(tǒng)中量子關(guān)聯(lián)的理論研究[D];浙江大學(xué);2015年

，

本文編號：2278814