1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学杭州创新研究院，浙江 杭州 310023
量子精密测量在基础研究和原始创新中发挥了重要作用。激光与热碱金属原子系综的相互作用是量子精密测量领域的重要研究对象，在物理学的前沿探索和技术应用层次上都具有深刻意义，是科学研究的前沿热点之一。基于激光与原子相互作用原理，相关器件的超高精度、小型化、阵列化进程从原理与技术上获得了突破性的进展，形成了以无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计、相干布居数囚禁（CPT）原子钟、SERF原子自旋陀螺仪为代表的精密测量传感器件。本文结合近十几年来相关领域在磁场测量、时间测量、惯性测量方面的代表性成果和进展，从原理和应用两个角度总结了目前激光与热碱金属原子系综相互作用的研究状况，展望了基于激光与热碱金属原子系综相互作用原理的器件未来的发展方向。
量子光学 热碱金属原子系综 激光与原子相互作用 磁场测量 时间测量 惯性测量 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1500005
Author Affiliations
Abstract
Ministry of Education Key Laboratory for Nonequilibrium Synthesis and Modulation of Condensed Matter, Shaanxi Provincial Key Laboratory of Quantum Information and Quantum Optoelectronic Devices and Shaanxi Provincial Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Physics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
Multimode photonic quantum memory could enhance the information processing speed in a quantum repeater-based quantum network. A large obstacle that impedes the storage of the spatial multimode in a hot atomic ensemble is atomic diffusion, which severely disturbs the structure of the retrieved light field. In this paper, we demonstrate that the elegant Ince-Gaussian (eIG) mode possesses the ability to resist such diffusion. Our experimental results show that the overall structure of the eIG modes under different parameters maintains well after microseconds of storage. In contrast, the standard IG modes under the same circumstance are disrupted and become unrecognizable. Our findings could promote the construction of quantum networks based on room-temperature atoms.
elegant Ince-Gaussian mode hot atomic ensemble antidiffusion Chinese Optics Letters
2023, 21(7): 072701
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, Joint Institute of Advanced Science and Technology, School of Physics and Electronic Science, East China Normal University, Shanghai, China
2 CAS Center for Excellence in Ultra-intense Laser Science, Shanghai, China
3 Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan, China
The four-wave mixing process in atomic ensembles has many important applications in quantum information. We review recent progress on the generation of optical quantum states from the four-wave mixing process in hot atomic ensembles, including the production of two-beam, multi-beam, and multiplexed quantum correlated or entangled states. We also review the applications of these optical quantum states in implementing quantum information protocols, constructing SU(1,1) quantum interferometers, and realizing quantum plasmonic sensing. These applications indicate that the four-wave mixing process in hot atomic ensembles is a promising platform for quantum information processing, especially for implementing all-optical quantum information protocols, constructing SU(1,1) interferometers, and realizing quantum sensing.
optical quantum states four-wave mixing atomic ensemble quantum information protocol Photonics Insights
2022, 1(2): R06
1 山西大学光电研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心,山西 太原 030006
在87Rb冷原子系综中,利用自发Raman散射过程实现了光与原子纠缠。通过选择两个不同的跃迁频率的读光对存储的自旋波进行读出,在两种不同读光频率下测量了读出效率以及Bell参数S值。结果发现在读光功率相同的条件下其中一种读光频率的读出效率为18％,Bell参量S值为2.68。另一种读光频率的读出效率达到38％,Bell参量S值为2.5。本文的研究成果为产生高质量的光与原子纠缠源提供了实验基础。
自发拉曼散射 冷原子系综 光与原子纠缠源 读光跃迁频率 Spontaneous Raman Scattering(SRS) cold atomic ensemble entanglement of light and atom readout transition selection
1 山西大学 光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
在87Rb冷原子系综中, 利用自发Raman散射过程, 实现了光与原子的纠缠。测量了Bell参数S随着写激发率的变化关系, 当写激发率增加时, Bell参数S逐渐下降。当写激发率约为1％时, 测量了Bell参数S与自旋波存储时间的关系。实验测得Bell参数S会随着存储时间t的增大而减小, 在t=80 μs的时候S参数的测量值仍然大于2, 证明产生的光与原子的纠缠可以保持80μs以上。本文的研究结果为产生高质量的光与原子量子纠缠提供了实验基础。
冷原子系综 自发拉曼散射 光与原子纠缠 cold atomic ensemble spontaneous raman scattering(SRS) entanglement of light and atom
武夷学院机电工程学院， 福建 武夷山 354300
采用负本征值描述两个子系统间的纠缠，研究了光纤耦合腔模型中每个腔囚禁原子系综的情况下，两腔场间和腔场与原子系综间的纠缠特性。讨论了原子系综所含的原子数以及光纤模与腔模间耦合系数对纠缠特性的影响。研究结果表明，随着原子数的增大，两腔场间纠缠以及腔场与原子系综间纠缠的拉比振荡频率都增大；随着光纤模与腔模间耦合系数的增大，两腔场间纠缠和腔场与原子系综间的纠缠都增强。
量子光学 光纤耦合腔系统 负本征值 原子系综 量子纠缠
1 山西大学光电研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心,山西 太原 030006
本文在87Rb冷原子系综中通过自发拉曼散射过程进行了量子关联光子对产生的实验研究,测量了关联光子对的产生率和二阶关联函数g(2)随写光激发率、读光功率以及写光失谐等实验参数的关系曲线。结果表明:随着写光激发率的增加,光子对产生率线性增加,g(2)则不断减小;在小的读光功率处,光子对产生率和g(2)随着读光功率增加而增大,当读光功率超过30 mW后,产生率和g(2)随着读光功率增加反而有所下降;写光频率失谐为-5 MHz时光子对产生率和g(2)均达到最低,增大或减小写光失谐产生率和g(2)均逐渐增加。通过选取合适的实验参数,光子对产生率达到18对／秒,同时g(2)为106。本文的研究结果为产生高质量的纠缠源提供了实验基础。
冷原子系综 自发拉曼散射 量子关联光子对 二阶关联函数 cold atomic ensemble spontaneous raman scattering quantum correlated photon pairs the second-order correlation function
1 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西大学 光电研究所, 山西 太原 030006
2 极端光学协同创新中心, 山西大学, 山西 太原 030006
我们在87Rb冷原子系综中进行了关联光子对的产生和测量。通过自发拉曼散射过程, 产生了一个Stokes光子和一个原子自旋波激发。利用电磁感应透明效应将存储在原子系综中的自旋波转化为一个anti-Stokes光子。在两相互正交的偏振基下, 测量了Stokes光子和anti-Stokes光子之间的交叉关联函数。实验结果表明, 交叉关联函数g(2)达到~75, 表现了强的非经典关联。基于现场可编程门阵列(FPGA)的自编程的多通道符合器被用于光子脉冲信号的采集和逻辑处理, 大大提高了偏振关联光子对的产生和测量速度, 为以后量子中继技术中的高效信息处理提供了重要基础。
冷原子系综 自发拉曼散射 关联测量 Cold atomic ensemble Spontaneous Raman Scattering Correlation measurement FPGA FPGA
量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学 光电研究所,山西 太原 030006
在不同导向磁场条件下,利用电磁感应透明效应(EIT)动力学过程,在87Rb冷原子系综中进行了两正交偏振光存储和释放的实验研究。研究结果表明:随着导向磁场的增加,磁敏感自旋波对存储寿命的影响不断减小,存储寿命逐渐增大,当磁场增加到125 G时,存储寿命达到15 ms。
长寿命存储 导向磁场 磁不敏感态 冷原子系综 long lifetime storage guide magnetic field magnetic insensitive state cold atomic ensemble
量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学光电研究所,山西 太原 030006
利用电磁感应透明效应的动力学过程我们在87Rb冷原子系综中实验实现光学信号的存储和释放。通过改变信号光和耦合光的角度实现了自旋波波长的变化。在此基础上我们研究了存储寿命与自旋波波长的关系,结果表明,光存储寿命随自旋波波长(角度)的增加(减小)而增加,当自旋波波长大于2.2 mm(信号光和耦合光的角度小于0.02度)时,存储寿命可达到2.4 ms。
长寿命 自旋波波长 冷原子系综 long lifetime spin-wave length cold atomic ensemble
