本文關(guān)鍵詞：超高光學(xué)厚度冷原子系綜中的光信息存儲(chǔ)

  更多相關(guān)文章： 冷原子 電磁誘導(dǎo)透明 四波混頻 梯度回波存儲(chǔ)

【摘要】：實(shí)現(xiàn)光的量子存儲(chǔ)具有非常重要的意義,因?yàn)榱孔哟鎯?chǔ)過(guò)程可保持光的量子特性,這對(duì)于諸如量子保密通信和量子計(jì)算等量子信息系統(tǒng)而言至關(guān)重要。理想情況下,人們希望獲得存儲(chǔ)效率接近100%,存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)毫秒乃至秒量級(jí),沒(méi)有引入任何附加噪聲,且具有高帶寬,能同時(shí)存儲(chǔ)多種信息的量子存儲(chǔ)系統(tǒng)。鑒于這些要求,在過(guò)去幾年里,人們提出并發(fā)展了多種不同的技術(shù),并在實(shí)驗(yàn)上取得了一系列進(jìn)展。其中之一便是利用電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)在原子自旋波中實(shí)現(xiàn)光的量子存儲(chǔ)；另外一個(gè)進(jìn)展是利用梯度回波進(jìn)行量子存儲(chǔ)。理論上,在理想的情況下,這兩種方法都可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)效率高達(dá)100%的高保真度量子存儲(chǔ)；實(shí)驗(yàn)上,為了提高量子存儲(chǔ)效率,人們開(kāi)展了大量的嘗試工作。理論計(jì)算指出,提高光存儲(chǔ)介質(zhì)的光學(xué)厚度是得到高效存儲(chǔ)的關(guān)鍵因素,然而在實(shí)驗(yàn)上得到要超高光學(xué)厚度的冷原子團(tuán)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),另外,大的光學(xué)厚度會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)問(wèn)題——四波混頻等效應(yīng)會(huì)變得很明顯,其在慢光傳輸?shù)倪^(guò)程中可能產(chǎn)生增益,給輸出信號(hào)帶來(lái)噪聲,從而限制了量子存儲(chǔ)的性能。 針對(duì)這些問(wèn)題,本文詳細(xì)研究和闡述了我們制備光學(xué)厚度高達(dá)1000冷原子團(tuán)的實(shí)驗(yàn)方案,以及在此冷原子團(tuán)系綜中基于電磁誘導(dǎo)透明和梯度回波存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高效率、長(zhǎng)壽命和多模的量子存儲(chǔ)過(guò)程。 首先,本文研究了在超高光學(xué)厚度冷原子系綜中利用電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光脈沖的存儲(chǔ)。為了鑒別四波混頻效應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)過(guò)程的影響,我們建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的四能級(jí)模型用于計(jì)算說(shuō)明四波混頻對(duì)存儲(chǔ)結(jié)果的影響以及預(yù)計(jì)可能產(chǎn)生的噪聲。實(shí)驗(yàn)上,我們分別在銣85和銣87冷原子系綜中進(jìn)行了研究。在這兩種同位素中,我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與理論計(jì)結(jié)果算高度吻合。我們的研究證明：在銣87原子中,四波混頻效應(yīng)可忽略不計(jì),并得出結(jié)論：存儲(chǔ)一個(gè)脈沖寬度時(shí),存儲(chǔ)效率為50%；而在銣85原子中,我們發(fā)現(xiàn)四波混頻效應(yīng)會(huì)在一定程度上影響存儲(chǔ)過(guò)程。在存儲(chǔ)效率為50%的時(shí)候,我們得到了delay-bandwidth product約為3.7,這是迄今為止最大的值。在此基礎(chǔ)上,我們還成功實(shí)現(xiàn)了時(shí)間多模脈沖的同時(shí)存儲(chǔ),這是量子存儲(chǔ)過(guò)程的一個(gè)重要突破。此外,基于電磁誘導(dǎo)透明的慢光效應(yīng),我們將光信號(hào)延遲了100微秒,意味著群速度降低至了120m/s。 其次,本文研究了在超高光學(xué)厚度冷原子系綜中利用梯度回波存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)壽命的有效延長(zhǎng)和存儲(chǔ)效率的有效提高。利用梯度回波存儲(chǔ)技術(shù),我們獲得了最長(zhǎng)相干時(shí)間高達(dá)350微秒的存儲(chǔ)。該存儲(chǔ)壽命較熱原子蒸汽系統(tǒng)中的壽命提高了6倍。同時(shí)基于梯度回波存儲(chǔ)技術(shù),我們獲得的存儲(chǔ)效率高達(dá)80%。這是迄今為止基于冷原子系綜效率最高的量子存儲(chǔ)。 最后,本文闡述了基于冷原子系綜的梯度回波實(shí)驗(yàn),我們進(jìn)行了雙頻光脈沖的存儲(chǔ)。通過(guò)利用塞曼分裂的拉曼吸收譜線同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同頻率信號(hào)脈沖的存儲(chǔ),對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)效率分別為39%和32%。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析這兩個(gè)不同頻率脈沖之間的相對(duì)位相和相對(duì)振幅在經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)并讀取后的情況,得到的可見(jiàn)度為82%,基本符合理論上預(yù)計(jì)的90%的可見(jiàn)度,且兩個(gè)信號(hào)的相位移動(dòng)期望值為15度。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于實(shí)現(xiàn)雙頻量子比特多存儲(chǔ)有重要意義。在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步拓展提出利用塞曼子能級(jí)可進(jìn)行多通道頻率的存儲(chǔ)與讀取技術(shù)。 本文研究的基于超高光學(xué)厚度冷原子系綜中的高效率、長(zhǎng)壽命的存儲(chǔ),以及多模量子存儲(chǔ)為今后實(shí)現(xiàn)高保真度的量子比特存儲(chǔ)奠定了一定的基礎(chǔ),并有望為量子存儲(chǔ)和量子計(jì)算在今后的有效應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：冷原子 電磁誘導(dǎo)透明 四波混頻 梯度回波存儲(chǔ)
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O431.2
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-22
• 1 緒論22-29
• 1.1 光存儲(chǔ)研究歷程24-27
• 1.2 本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)27-29
• 2 基礎(chǔ)理論知識(shí)29-40
• 2.1 量子光學(xué)的基本概念29-33
• 2.1.1 三種圖像30-31
• 2.1.2 海森堡不確定原理31
• 2.1.3 光學(xué)量子態(tài)的探測(cè)31-33
• 2.2 原子與光的相互作用33-38
• 2.2.1 二能級(jí)原子與場(chǎng)相互作用的理論33-34
• 2.2.2 旋轉(zhuǎn)波近似34-35
• 2.2.3 絕熱近似35
• 2.2.4 布洛赫球35-38
• 2.3 光與A三能級(jí)原子的相互作用38-39
• 2.4 本章小結(jié)39-40
• 3 量子存儲(chǔ)的理論與背景40-51
• 3.1 存儲(chǔ)的理論40-42
• 3.1.1 光子回波40-41
• 3.1.2 自由誘導(dǎo)衰減41-42
• 3.2 電磁誘導(dǎo)透明42-46
• 3.2.1 電磁誘導(dǎo)透明的慢光效應(yīng)43-44
• 3.2.2 基于電磁誘導(dǎo)透明的光學(xué)存儲(chǔ)44-46
• 3.3 梯度回波存儲(chǔ)46-50
• 3.3.1 二能級(jí)原子GEM47-48
• 3.3.2 三能級(jí)原子的梯度回波存儲(chǔ)48-50
• 3.4 本章小節(jié)50-51
• 4 實(shí)驗(yàn)的基本裝置51-71
• 4.1 基本光路設(shè)計(jì)51-57
• 4.1.1 飽和吸收鎖頻51-53
• 4.1.2 基礎(chǔ)光路設(shè)計(jì)53-56
• 4.1.3 主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)56-57
• 4.2 冷原子實(shí)驗(yàn)裝置57-64
• 4.2.1 真空腔57-59
• 4.2.2 補(bǔ)償線圈59-60
• 4.2.3 MOT線圈60
• 4.2.4 磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)60-61
• 4.2.5 成像系統(tǒng)61-64
• 4.3 利用labview進(jìn)行數(shù)字化控制實(shí)驗(yàn)64-70
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)時(shí)序控制64-66
• 4.3.2 PHD鎖頻和Labview鎖頻控制66-70
• 4.4 小結(jié)70-71
• 5 超高光學(xué)厚度的冷原子系綜的制備71-95
• 5.1 為什么要制備高光學(xué)厚度的冷原子介質(zhì)?71-72
• 5.2 激光冷卻的相關(guān)理論72-80
• 5.2.1 光阱72-73
• 5.2.2 磁光阱73-75
• 5.2.3 偏振梯度冷卻75-79
• 5.2.4 偶極捕獲79-80
• 5.3 實(shí)驗(yàn)上提高OD的歷史背景與技術(shù)80-83
• 5.3.1 提高壽命80-81
• 5.3.2 提高光學(xué)厚度81-83
• 5.4 超高光學(xué)厚度冷原子團(tuán)的實(shí)現(xiàn)83-92
• 5.4.1 MOT184-87
• 5.4.2 MOT287-90
• 5.4.3 MOT390-92
• 5.5 影響MOT光學(xué)厚度的因素92-93
• 5.5.1 進(jìn)一步提高OD的展望92-93
• 5.6 本章小結(jié)93-95
• 6 超高光學(xué)厚度冷原子中的電磁誘導(dǎo)透明存儲(chǔ)和四波混頻95-110
• 6.1 電磁誘導(dǎo)透明的背景95-96
• 6.2 電磁誘導(dǎo)透明和四波混頻的理論96-99
• 6.3 實(shí)驗(yàn)裝置99-101
• 6.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果101-109
• 6.4.1 電磁誘導(dǎo)透明產(chǎn)生的延時(shí)結(jié)果101-107
• 6.4.2 基于電磁誘導(dǎo)透明的存儲(chǔ)結(jié)果107-109
• 6.5 本章小結(jié)109-110
• 7 冷原子中的梯度回波光存儲(chǔ)110-123
• 7.1 梯度回波存儲(chǔ)的理論111-112
• 7.2 實(shí)驗(yàn)裝置112-115
• 7.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果115-119
• 7.3.1 高效存儲(chǔ)結(jié)果115-118
• 7.3.2 脈沖存儲(chǔ)118-119
• 7.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論119-122
• 7.4.1 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與提高119-120
• 7.4.2 消除四波混頻120
• 7.4.3 實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象120-122
• 7.5 本章小結(jié)122-123
• 8 用于雙量子頻率比特的梯度回波存儲(chǔ)123-133
• 8.1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論123-126
• 8.2 實(shí)驗(yàn)裝置126-127
• 8.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果127-129
• 8.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論129-132
• 8.4.1 振幅的變化對(duì)相位的影響129-130
• 8.4.2 頻率的變化對(duì)相位的影響130
• 8.4.3 相位差統(tǒng)計(jì)130-132
• 8.5 本章小結(jié)132-133
• 9 結(jié)論與展望133-135
• 9.1 總結(jié)133
• 9.2 展望133-135
• 參考文獻(xiàn)135-146
• 致謝146-149
• 攻讀博士期間取得的研究成果149

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：623429