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。

本文在87Rb冷原子系综中开展了腔增强量子存储, 研究了光学厚度对读出效率的影响。我们通过改变冷却光的失谐量得到了原子系综不同的Optical Depth(OD), 测量了读出效率随着原子系综光学厚度的变化。结果显示: 当冷却光处于负失谐18.5 MHz的情况时, 可使冷原子系综的OD达到最大值14, 读出效率的增强倍数为1.6倍, 本质恢复效率最大可达43.2%。

针对量子纠缠的产生方式, 着重介绍了常见的3种类型的量子纠缠源制备方法, 包括基于自发参量下转换(SPDC)制备量子纠缠源、基于四波混频(FWM)效应制备量子纠缠源和基于量子点制备量子纠缠源, 分别分析了其原理、优缺点及其质量指标, 最后展望了量子纠缠源制备方法的研究与应用方向。

在87 Rb 冷原子系综中, 通过自发拉曼散射过程产生了光子与原子自旋波的关联对。利用光学腔增强光与原子的相互作用, 使光子和原子自旋波关联对的产生率增加了3.8倍。同时, 我们也研究了光学腔对原子自旋波读出效率的影响。结果表明, 腔使自旋波的读出效率提高了1.5倍。本文的研究结果为下一步产生高恢复效率的光与原子量子纠缠提供了实验基础。

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。

在冷原子系综中,利用自发拉曼散射过程产生光与原子纠缠,测量了恢复效率随存储时间的关系。实验结果显示在没有施加轴向磁场时的存储寿命仅仅只有40 μs。而在施加轴向磁场的情况下,存储时间在50 μs以后甚至在400 μs时都可以测量到明显的恢复信号,存储寿命明显高于100 μs,远高于未施加轴向磁场时的情况。对这个实验现象进行分析认为:原子所处的环境中存在磁场噪声的影响,当没有轴向磁场时,噪声会扰乱自旋波信号的相位;当有轴向磁场时,磁场噪声对自旋波相位的影响便被抑制了。

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。

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。

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。

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。