关键词： 高激发态原子   多波混频   电磁诱导透明  

摘要： 精确可控的量子信息比特载体是量子信息处理实用化进程中面临的一个重要核心问题。在物理学中,一些给定的物理体系可以作为信息载体,而信息处理及传输则是某些对应物理过程。就目前而言,在研究量子信息的实验中,相关的物理平台或者物理系统主要包括:超导体、线性光学、捕获离子以及半导体中的量子点等。高激发态原子的主量子数n通常非常大,它们有一些共性的特征:原子尺寸是基态原子的数千倍大,束缚能非常小,辐射寿命非常长,偶极矩非常大,偶极-偶极作用对电场非常敏感。这些特点使得中性高激发态原子成为实现量子逻辑运算最具潜力的信息载体。而作为一种重要的非线性光学过程,多波混频是指当N束任意频率的激光满足相位匹配条件作用于介质时,可以形成第N+1束频率为入射光频率各种和差组合的激光。可以用于频率转换,产生新的波长,在制备介关光子器件以及实现多光子纠缠源方面有着重要的意义和价值。

关键词： 外腔式半导体激光器   光学环形腔   多波混频   里德堡态原子   相位控制  

摘要： 原子光学因为激光的问世有了很大的发展,通过激光和外层电子的强耦合作用可以极大地改变原子介质的光学响应特性。本论文基于外腔式半导体激光器系统搭建了用于研究多能级铷原子系统中高阶非线性效应的实验系统,然后利用基于原子相干的电磁诱导透明和光泵浦效应研究了低激发态和高激发里德堡态高阶非线性多波混频的共存与相互作用,这种缀饰高阶多波混频在多通道全光通信、量子信息处理方面有着重要的潜在应用。首先,我们基于模拟技术设计实现外腔式半导体激光器伺服系统,适用于铷原子能级跃迁的780nm、776nm以及795nm外腔式半导体激光器。通过对外腔式半导体激光器的结构和特点进行分析,我们基于模拟电子技术提出了外腔式半导体激光器伺服系统的结构,包括电流驱动模块、温控控制模块以及用来压窄激光线宽和保证激光长期稳定的主动稳频系统。然后根据实验需要提出电流、温度以及主动稳频模块的性能指标,再根据指标要求模块提出了各个模块的具体电路设计方案,并结合实际应用情况给出了各模块详细的设计电路图;最后在硬件上对设计方案进行调试最终达到提出的性能指标。最终把各个模块组合装机完成一套完整的设备用于驱动实验中需要的外腔式半导体激光器。我们开发高精度高稳定度的外腔半导体激光器驱动及主动稳频系统,不仅可以满足高精度原子光学实验的要求,而且它简单的结构、低成本、高可靠性也可以用于教学和其它商业开发,所以研制这样一套用于控制半导体激光器系统也就具有了突出的现实意义和社会价值。其次,设计并实现了光学环形谐振腔的稳定扫描系统。我们把热原子介质置于一个三镜环形腔内,它的强耦合性可以有效地增强介质的非线性效应。同时,把周期极化的KTP晶体置于四镜环形腔内来产生二次谐波信号,也就是所谓的倍频技术。然而,在具体实验中我们需要保持三镜腔腔长的长期稳定以及四镜腔与基频光处于共振状态,因此必须通过外部锁腔系统把腔锁在相应的参考激光上,结果表明原子腔的漂移从100MHz被抑制到小于4MHz。在实验中,原子腔可以被看成是一个腔缀饰场,倍频腔的输出也可以被看做是一个缀饰场。为了得到无背底的干净信号,我们要对缀饰场进行扫描,这就要求我们对环形腔在锁定以后能以一定的频率进行一定范围的扫描。为了满足实验需要,我们设计了两套负反馈锁腔系统实现对腔长的稳定,系统可以保证腔在锁定的情况下能以10Hz的频率进行1GHz范围的扫描。第三,通过电磁诱导透明和光泵浦来研究低激发态原子系统中共存多波混频的相互作用和相位调制过程。我们分别在三能级和倒Y型四能级85Rb原子系统利用光泵浦和EIT技术得到了共存的四波混频和六波混频,通过不同的光束配置,光泵浦效应可能产生增加或者减少探测场吸收的过程。在此基础上,通过调节探测场和与耦合场之间的角度,我们在K型五能级系统里面研究了共存的探测场、多波混频和荧光信号的相位调控特性。另外,通过选择不同的基态超精细能级也可以控制缀饰效应的强弱。这种可控的高阶非线性过程有用在新型的光电器件和多通道量子信息处理等领域的潜能,同时这也为我们研究高激发的里德堡态的高阶非线性过程积累了经验。最后,以低激发态原子系统中得到的多波混频为基础,我们研究了高激发里德堡态原子系综中基于电磁诱导透明的高阶非线性和相位调制过程。一方面,我们在共存的电磁诱导透明窗口中从理论和实验两个方面研究了热85Rb原子气体中的里德堡态六波混频和八波混频过程。通过扫描缀饰场,可以得到通过多组自旋相干产生的八波混频过程,该八波混频过程主要通过强里德堡相互作用导致的缀饰态效应和激发阻塞效应之间的竞争和相互作用来体现,经过多个电磁诱导透明窗裁剪的八波混频信号线宽小于30MHz。另一方面,我们也研究了里德堡电磁诱导透明介质中多波混频的抑制增强效应。里德堡原子间的强相互作用可以调制介质的非线性色散特性,同时也会导致眀态和暗态之间的非线性相移。这种由里德堡效应诱导的非线性相移可以通过抑制增强的缀饰不对称性进行定量地估计,该研究证实了里德堡原子间存在的强相互作用,同时该非线性相移也可以应用于相敏探测的研究。

关键词： 量子Zeno效应   电磁感应透明   Autle-Townes分裂   多波混频   相位和频率控制   微波放大和减小   超导量子电路  

摘要： 量子光学是研究光与物质相互作用的学科,它是量子场理论和物理光学的完美结合,其理论框架由仅涉及介质量子化的半经典理论和介质与光场均量子化的全量子理论组成。量子光学从诞生之日起就一直吸引着许多杰出的物理学家的注意,其研究系统也从最初的自然原子系统发展到现在各式各样的新型量子光学系统,如量子点系统、NV色心系统、光机械系统、超导量子电路系统。其中,基于约瑟夫森节的超导量子系统已经被用来展示了许多有趣的量子光学现象,从而导致了电路量子电动力学这一概念的提出。作为超导电路的核心部件,超导量子比特可以被外部的参数调谐和控制,其行为类似人造的多能级原子。因此,与传统的腔量子电动力学相比,电路量子电动力学系统具有极大的调谐性和可控性,从而可以通过调控来实现灵活的量子光学现象。本文的研究工作就是借助超导电路这一系统来开展的,并取得了一些创新性的成果,主要有：1.利用由一个驱动的超导电荷比特与一个传输线谐振子强耦合或者超强耦合相互作用所组成的电路量子电动力学系统,我们展示了量子Zeno效应的理论研究。借助于缀饰态方法,我们预测了在两种相反的投影测量下的缀饰比特的动力学行为。对于非常频繁的重复测量,我们研究显示缀饰比特初始态的生存几率具有指数形式,并且其Zeno时间长于裸比特两个数量级。对于缓慢的重复测量,我们发现驱动场的失谐量对比特的测量动力学有重要的影响,而且在恰当的系统参数下,Zeno效应在非共振耦合情形下出现了。我们强调,对于一个通常的两能级系统,这种Zeno效应不能发生。2.通过驱动一个由电荷比特与传输线谐振子强耦合所构成的有效的三能级超导缀饰系统,我们研究了电磁感应透明和Autler-Townes分裂。在缀饰态框架和稳态近似下,我们深入的研究了该系统对一个弱探测信号的线性响应。借助于谱线分解方法和其余的限制条件,我们获得了缀饰态系统的电磁感应透明和Autler-Townes分裂实现的详细条件,并呈现了一个相应的“相图”。与一般的裸系统相比,这些被获得的条件对比特-谐振子系统的参数有额外的依赖。作为结果,通过调谐比特的约瑟大森耦合能,我们呈现了从电磁感应透明到Autler-Townes分裂的跃迁。我们的研究再次显示了固态超导量子电路可调谐性的优点。3.我们研究了四能级V-型超导系统的电磁感应透明和Autler-Townes分裂。该系统由超导量子干涉仪耦合的两个超导电荷比特构成,我们给出了其本征值和本征态的一般解。我们研究发现,对于探测场的吸收谱线,这个四能级系统可以展示多个dip,至多3个dip,这打破了传统的对应关系：N+1能级系统最多显示N-1个dip。通过把这个四能级系统分解成两个三能级子系统,我们对于这一发现给出了一个合理的解释。我们也显示,通过调谐系统的参数,吸收峰和dip的角色是可以交换的。4.利用一个可循环跃迁的△-型三能级超导量子比特,我们研究了非线性多波混频现象。由于选择定则在这个系统中的缺乏,我们首次在理论上论证了三波、四波和五波混频能共存。对于仅仅一个超导比特,四波混频的效率就可以高达0.1%,这可以与先前的许多原子系统的波混效率相比较甚至更大。我们也显示三波和五波混频信号的谱线发生了Autler-Townes分裂,并且量子干涉对总的信号——三波和五波混频信号的相干叠加——有重要的影响。5.利用一个循环驱动的三能级超导约瑟夫森系统,我们研究了一种新型的相位和频率敏感的微波放大和减小。不同于先前的纯粹的相位敏感放大的线性理论,一种新的物理机制——非线性波混和波干涉的共同作用——被提出,不仅导致了信号的放大而且也能导致减小,这被称之为干涉非线性光学。我们研究显示,通过调谐相对相位,输出信号经历了从大的增益到深深的抑制的跳跃式转变,从而该系统可充当一个相位控制的振幅调制器。此外,通过改变驱动场的频率,我们显示了输出信号从放大到减小的连续变化,从而系统可充当一个频率控制的振幅调制器。我们的研究为微波信号在量子信息科学中的宽广的应用打开了一个新的视角。

关键词： 四波混频   六波混频   里德堡态   碰撞展宽   碰撞再构  

摘要： 碰撞效应是许多研究领域的基础,通过对原子分子碰撞过程的研究,可以观测和分析原子、分子的内部结构,还可以展开对原子核等基本粒子的研究,近年来,随着量子信息与量子计算和冷原子技术的飞速发展,关于原子高激发态碰撞效应和碰撞引起的能级再分布现象(碰撞再构)的研究再次吸引了大量的研究兴趣[1-4]。多波混频光谱学是在非简并四波混频的基础上提出的一种研究原子或分子高激发态和高角动量态的有效光谱学工具,其相位匹配条件较宽松,能够在很大的扫频范围内实现,可以用来研究任意阶数的混频效应,因此具有更大的普遍性。本文采用由双光子共振非简并四波混频和碰撞再构非简并四波混频组成的双共振非简并四波混频理论和三光子共振非简并六波混频和碰撞再构非简并六波混频组成的双非简并六波混频理论研究原子碰撞效应,并分析了缓冲气压、温度、光束1共振失谐1?、各个碰撞展宽系数对双共振非简并多波混频谱线的影响。双非简并多波混频技术可以获得丰富的原子结构信息。双非简并多波混频具有光路结构简单,测量信息丰富的优点,可以成为一种有效的研究原子碰撞效应的相干光谱学工具。

关键词： 量子控制   混频   多波   非线性光学   量子信息科学   光学过程   基础研究   量子调控  

摘要： 多波混频是一种重要的非线性光学过程，在非线性光学和量子信息科学中有重要的应用。量子调控无论在基础研究领域，还是应用技术方面，都是当今研究的一个前沿方向，

关键词： Nonlinear optics  

ISBN: (数字)9787040391336 ISBN: (纸本)9787040391336

摘要： 《多波混频量子控制(英文版)》讨论基于原子相干诱导的多能级原子系统中多波混频过程频率、时域与空域的相互作用,涉及七个方面的内容:多能级多色激光相干产生的共存多波混频及相互作用;电磁感应透明介质中四波混频与六波混频信号的Autler Townes分裂及抑制或增强过程;Zeeman能级间多波混频过程在频域和空域的调制;自由空间和环形腔中共存多波混频之间的关联以及纠缠过程;超窄带荧光和共存多波混频信号的噪声关联;电磁感应光栅所形成的光子带隙中多波混频信号的空间过程,包括空间干扰、矢量孤子、Talbot效应等;利用多波混频空间效应设计的全光开关、路由器、信号波分复用器等非线性光子器件。

关键词： 四波混频   六波混频   电磁诱导透明   腔   偶极孤子  

摘要： 多波混频是一种重要的非线性光学过程,其在非线性光学和量子信息科学中有重要的应用。本文详细讲述了该领域的进展。在频域中,首先通过电磁诱导透明在实验上得到了共存的四六波混频信号,继而观察到了它们之间伴随着能量交换和时空干涉的相互竞争。此外,两个竞争的四六波混频之间的抑制增强以及相应的AT分裂也被实验证实了。在空间域中,研究了因为两束泵浦光之间干涉导致的电磁诱导光栅,对多波混频信号的空间移动和分裂也进行了讨论,并且得到了帯隙孤子,涡旋孤子,有荷偶极孤子,以及二维表面孤子。这些概念可以扩展到量子领域,并且与之相关的一些效应具有研究价值。本文同时也讨论了多波混频在腔量子电动力学中,里德堡态中,以及全固态量子计算中的发展前景以及潜在应用。

关键词： 多波混频   光谱学   浅析  

摘要： 多波混频是非线性光学效应的一种应用。光在介质中的传播过程实际上是光与物质相互作用的过程,其特点是介质对光的响应呈非线性的关系,此时,光在介质中传播会产生新的频率,不同的频率的光波之间会产生耦合,独立传播原理和线性叠加原理不再成立。

关键词： 多波混频   团簇纠缠   量子拍   非绝热效应  

摘要： 最近,Raussendorf;和Briegel等人提出一个新的量子计算方案,这是一个非常有趣的概念,其原理是代替标准的电路模型,与以量子计算逻辑线路网络模型——通过物理量子位态么正演化实现逻辑操作不同。这种量子计算方案是依赖多模纠缠态的特殊类型,我们称之为团簇态即the cluster state。信息在cluster态上被写入,然后以一个量子比特的测量从cluster态处理,读出,Ising哈密顿可以通过离散变量团簇纠缠态建立。量子计算通常用量子比特,Lloyd和Braunstein提出使用连续变量(CVs)。通用量子计算仅仅需要一套有限的CV门。而后,Menicucci等人提出了基于非高斯测量CV簇态的量子计算。这种方法的主要优势在于,不仅可以计算确定性团簇态,而且可以是无条件团簇态。在大多数情况下离散光子是创建概率的团簇态,并且CV方法特别适用于团簇态量子计算的。 本文中我们提出了一个可扩展的方案,准备2n模的团簇纠缠(n≥2)。与现有方案,本方案不需要输入压缩场。本方案主要有三部份： 第一步,我们考虑在多通道系统的量子干涉效应并且引进集合模。 第二步,我们推导得到得关于集合模的主方程。 第三步,计算量子起伏,我们计算输出场的关联,这里考虑了非绝热效应的影响,需要考虑现实限制因素影响,包括热领域和驱动场相位波动等。 最后一步。接着我们通过图像对相干现象进行总结分析。

关键词： 多波混频   三体连续变量纠缠   Raman跃迁   原子相干  

摘要： 基于多波混频参数相互作用,研究了一个五能级原子系综中的三体连续变量纠缠.其中,两个光场通过一个双通道Raman跃迁,以和模的形式组合成一个联合模与原子相互作用,这个联合模因外加相干场与第三个腔场介于混频参数相互作用,导致了3个腔场正交算符的方差和满足三体连续变量纠缠有效判据,从而实现了稳态三体连续变量纠缠.