由于原子相干性可以增强光学非线性效应,基于原子系综的四波混频过程是产生压缩态和纠缠态的一项有前景的技术。光参量放大器中的相敏放大器的增益随输入信号相位的变化而变化,且相敏放大过程具有低噪声特性。因此,基于原子系综的相敏四波混频过程在实际应用中有着潜在的应用价值。本文介绍了基于原子系综的相敏四波混频过程的理论方案,概述了该系统输出光场的量子特性,综述了基于原子系综的相敏四波混频过程在实验上的应用,包括在双模相敏放大器中利用干涉诱导增强了量子压缩,对双模相敏放大器的相位进行操纵以实现两种类型的纠缠,以及用直接强度探测法测量明亮注入SU(1,1)干涉仪的相位灵敏度。

高精度的干涉仪在精密测量领域有着非常重要的作用。相位估计的不确定度通常用来判定一个干涉仪测量的精密程度，相位估计的不确定度越小意味着相位灵敏度越高。在理论上提出了由光学参量放大器和线性光学分束器（BS）组成的非线性干涉仪。基于热85Rb原子系综四波混频（FWM）过程的光学参量放大器用来实现干涉仪中光束的合成与分离。BS作为反馈控制器，通过控制器件的反射率，来控制FWM过程的出射光返回到入射光端口的比例。与传统干涉仪的相位灵敏度相比，通过理论计算证明了基于光学参量放大器反馈的非线性干涉仪相位灵敏度更高。本研究结果在量子精密测量领域有着潜在的研究价值。

光既可以携带自旋角动量, 也可以携带轨道角动量。自 1992 年由 Allen 等提出光学轨道角动量的基本概念以来, 光学轨道角动量已吸引了越来越多学者的研究兴趣。光学轨道角动量具有无限带宽以及不同模式相互正交等特点, 这使得通过光学轨道角动量来传递信息变成一项十分有前景的技术。在概述光学轨道角动量基本概念的基础上, 重点综述了在连续变量系统中利用四波混频过程制备光学轨道角动量复用的纠缠源, 包括 13 对复用的连续变量纠缠确定性产生、9 组光学轨道角动量复用的三组份纠缠的制备、基于 66 个光学轨道角动量模式的大规模量子网络的实现, 以及光学轨道角动量复用纠缠源的最新应用, 包括利用光学轨道角动量复用的连续变量纠缠实现 9 通道全光量子隐形传态以及光学轨道角动量复用型量子密集编码。

通过使用光学分束器模型来模拟光学传输和探测所导致的损耗,本文在理论上研究了损耗对相敏四波混频过程产生孪生光束量子压缩的影响。我们分别研究了系统中不同强度增益、注入功率比和相位条件下损耗对量子压缩的影响。结果表明,该系统的量子压缩随着强度增益的增加而增大;随着注入功率比的增加呈先增大后减小的趋势,且均在注入功率比β=1时达到最大;在相位θ=0处压缩最大,在θ=π处反压缩达到最大,且损耗对压缩更敏感。此外,我们发现,在不同的参数情况下,随着损耗的增大,系统的量子压缩都在减小。我们的理论结果为实验上研究损耗对量子压缩的影响提供了理论依据。