具备有效存储和读取光的相干态的能力是实现连续变量量子信息存储的关键。本文研究了利用混合光子回声技术对光场的相干态进行存储和读取。光量子态被记录在原子系综的基态的两个相干能级中从而实现长时间的量子态存储。考虑到由于原子退相干的噪声效应, 我们发现在目前可实现的技术条件下存储保真度仍然高于保真度阈值2/3。我们的研究为实现高效准确的基于量子回声技术的光量子态存储提供了一些切实可行的实践指导。

量子纠缠是实现量子通信和量子计算的重要资源,其中多体纠缠更是构建量子网络实现全局量子计算的基础。本文主要研究如何利用经典的光子回声技术实现光量子态的三体纠缠。在自由空间中向掺杂稀土离子的固态离子系综中射入经典光场,当离子体系达到相位重构条件时即可获得三束存在纠缠的量子光场。基于本方案纠缠产生的技术特点,发现其在提高量子中继器的工作效率上有着潜在的应用价值。

本文提出了一个利用光子回声技术探究非均匀展宽频谱线形(如高斯、洛伦兹分布)对存储效率影响的简捷方法。我们发现当信号光脉冲的持续时间与介质频谱线宽的乘积远大于1时,可将分布函数的傅里叶变换近似成狄拉克函数,使得研究非均匀展宽频谱对存储效率的影响变得非常容易;通过计算发现不同线形分布达到最佳存储效率的光学深度有所不同,频谱线形趋于均匀时达到最优存储效率的存储介质光学深度最小。该研究对实验上实现最优化光量子态存储具有指导意义。

对样品分子建立多模布朗振动模型，分析了理论计算三脉冲光子回波信号强度的方法。以尼尔蓝分子为例，采用多模布朗振动模型来分析尼尔蓝分子的振动，将尼尔蓝分子的振动当作高斯型、过阻尼型、完全非均匀型、欠阻尼型这四种模式的加权耦合。改变四种振动模式的权重以改变尼尔蓝分子的相关函数，对三脉冲光子回波信号进行了数值模拟。以浓度为8×10-5 mol/L的尼尔蓝乙醇溶液为样品，波长为623 nm、脉宽为40 fs的飞秒激光为光源，进行了三脉冲光子回波信号的实验测量，研究了尼尔蓝分子的电子态振动模式。

在建模和理论分析的基础上, 对三脉冲飞秒激光作用下核壳结构CdSe/ZnS量子点量子阱中1se1sh激子光跃迁引起的受激光子回波效应进行了深入研究.运用有效质量近似方法求解了载流子的静态薛定谔方程，得到能量本征值和对应波函数.基于光学Bloch方程，分析了受激光子回波的参量相关性.结果显示受激光子回波信号可以通过量子点量子阱结构和尺寸的改变进行有效调节.同时，在量子尺寸限制理论的基础上讨论了结构和尺寸的变化对受激光子回波信号的具体影响.

采用非相干光时延四波混频（TDFWM-IL）实验装置，在7 K温度下，利用波长为800 nm的飞秒脉冲激光，观测到掺Er3+玻璃的光子回波效应，发现信号随延时变化的拍频调制结构。根据TDFWM-IL多能级理论，运用其非均匀加宽占主导时的公式拟合实验结果，从最佳拟合获得的退相时间T2=300 fs，这与由相干控制实验测得的相一致。并且研究了调制参数c对相干拍频调制结构的影响。发现样品光子回波拍频调制结构的出现是在低温下，受体系多个激发态子能级相干效应影响。当样品温度逐渐升高，相干拍频调制结构消失，此时样品的光子回波图像特征类似于TDFWM-IL二能级系统。从而为研究低温下稀土材料的相干瞬态光谱提供了一个新的理论依据。

利用相位共轭极化拍频光谱术对V型三能级系统中的光子回波进行了研究。 当抽运光束为宽带线宽且相对时间延迟τ>0时, 单光子四波混频对应于三脉冲受激光子回波。 抽运光束为宽带线宽且相对时间延迟τ<0的情形与抽运光束为窄带线宽的情形类似。 这种技术在测量激发态之间的能级分裂时, 可得到消除多普勒增宽的测量精度。

从理论上研究了由于五阶极化强度间的干涉所导致的V型三能级系统相位共轭超快调制光谱学, 考虑了抽运光束为窄带线宽或宽带线宽的情形。发现能级分裂的测量精度决定于光学跃迁的均匀增宽, 即这种技术在测量能级分裂时可得到消除多普勒增宽的精度。

在有机染料PIC-I中引入其衍生物azaPIC-I形成能量势垒,改变在混合分子聚集体中PIC-I的J-聚集体的实体长度。用双调制外差检测的累积光子回波技术研究了相干弗兰克尔(Frenkel)激子失相过程。观测到激子失相时间T2随azaPIC-I克分子数的增大从60 ps变为224 ps。这与在含能量陷阱的分子聚集体中激子失相时间T2随陷阱的增加而变短的现象刚好相反。从实验和理论两个方面研究了在混合分子聚集体中激子相干长度。