铯原子介质中受激拉曼四波混频增益的实验研究

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基于量子纠缠理论,美国科学家提出了量子通信又称量子隐形传送(Quantum Teleportation)的概念,其利用携带量子信息的量子态载体如纠缠光子对等进行远距离大数据的信息传送,完成了常理上不容易被破译和窃听的量子保密通信。而在量子信息领域,非经典压缩光场和纠缠关联光场是实现量子保密通信协议、远距离信息传输等的重要量子源,在保证传输信息的相对安全、扩大传输信息的绝对容量等地方具有经典通信不可匹及的优越性。在基于纠缠交换和纠缠纯化的由量子通道和量子节点构成的量子中继站通信网络中,需要制备波长处于原子吸收线附近的纠缠态光场或量子关联光场,而这个纠缠态光场或量子关联光场可以基于非线性效应在激光与原子汽室的相互作用过程中来产生。因此,基于原子的相干效应和四波混频(FWM)过程,产生的连续变量孪生光束在量子通信网络领域备受关注。该论文围绕铯原子汽室中产生的明亮强度差压缩光的增益特性进行了实验及理论分析,并对量子关联进行了实验测量。本论文包括以下三部分:第一部分介绍了受激拉曼过程以及原子非线性介质中的四波混频过程等基础知识。第二部分实验研究了在铯原子介质中的受激拉曼四波混频过程中,注入的探针光与所产生的共轭光的增益特性。实验比较了探针场分别作为Stokes场和Anti-Stokes场情况下,探针光和共轭光的增益与粒子数密度、泵浦光频率失谐等的依赖关系,并分析了其增益谱线的线型和谱宽;理论拟合了在不同温度和相互作用时间下,探针光增益随泵浦光频率失谐的变化规律,与实验结果趋势一致,为进一步开展基于受激拉曼四波混频进行量子关联光束的制备提供了主要实验参数的参考依据。第三部分,利用第二部分得出的结论,实验上产生了低于散粒噪声基准2.75dB的强度差压缩光束。测量了探针光和共轭光之间的量子关联随泵浦光频率失谐、铯原子汽室长度及温度的变化关系,且对比了探针场分别作为Stokes场和Anti-Stokes场情况下量子关联的大小。理论计算了利用单个四波混频过程来产生双模压缩态,并模拟对比了不同原子汽室中,量子关联随增益、单光子失谐以及相互作用时间的变化趋势,与实验结果吻合。此外,文章介绍了两种级联四波混频的实验方案,且理论拟合对比了相同增益下三种方案的量子关联,为下一步提高强度差压缩提供理论参考。
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