腔光力学研究光子与宏观机械振子的相互作用, 目前已成为研究量子世界与经典世界之间的过渡以及研究非经典和非线性效应的重要领域。本文首先介绍该领域中的基本物理概念, 包括辐射压力、光机械哈密顿量、海森堡-朗之万方程、方程的线性化等。然后综述近年来一些新奇光力学效应的发现和研究进展, 包括光力诱导透明、非互易光传播、高阶边带产生、光机械纠缠等。最后提出了一些研究展望。

里德堡原子是主量子数(n)很大的高激发态原子, 由一个或者多个里德堡原子形成的里德堡分子具有大的尺寸, 丰富的振转能级, 永久的电偶极矩以及对外场非常敏感等特性, 不仅包含了里德堡原子的奇异特性, 而且在量子信息存储和量子模拟以及在医学中具有广泛的应用价值, 引起了国内外学者的研究兴趣。根据束缚机制的不同, 里德堡原子形成不同种类的里德堡分子, 目前包括里德堡电子与基态原子低能电子散射形成的基态-里德堡分子、里德堡原子间电多极相互作用形成的里德堡-里德堡分子和离子与里德堡原子间电多极相互作用形成的离子-里德堡分子。本文综述了近年来双原子里德堡分子的研究进展, 包含三类里德堡分子的形成机制、实验观测及其光谱特性等。

具有反聚束特性的非经典光场是量子信息与量子光学的重要资源。基于非线性光学的量子干涉效应, 通过将压缩真空态与特定相位的相干态在光学分束器上合成的方法获得平移压缩真空态, 对压缩度和相干分量进行独立控制以获得反聚束。本文结合实验系统参数, 理论研究了压缩真空态的压缩度和相干态的幅度对实验产生反聚束光场的影响。在最优化平移条件下, 我们分析了系统总效率、背景噪声, 以及Hanbury Brown-Twiss(HBT)与Double HBT测量方法对反聚束光场g20测量的影响, 并讨论了误差为零处相应量子态的g20值和平均光子速率。

本文研究了具有两种三体相互作用的海森堡XXZ自旋链的量子相干与量子纠缠的特性。研究发现, 量子相干性不会出现突然死亡现象且非零量子相干性存在的温度范围大于量子纠缠存在的温度范围, 说明量子相干性相对于量子纠缠, 具有更强的鲁棒性。在量子临界环境中, 量子相干性可以表征本模型的量子相变现象。在铁磁情形中, 无论外磁场是否为0, 单独调控XZX+YZY三体相互作用对于减缓量子相干性的衰减速率与增大量子相干性存在的温度范围效果最好。在反铁磁情形中, 外磁场为0时, XZX+YZY与XZY-YZX两种三体相互作用的协同作用可以显著增加量子相干性的最大值, 并明显减缓其衰减速率。在铁磁情形与反铁磁情形中都发现当外磁场B<0时, 量子相干性存在的温度范围更大, 更有利于保存量子相干性。

宽带光电探测器广泛应用于量子光学和快速量子信息处理实验系统中。本文介绍了一种基于跨阻放大电路的宽带光电探测器, 详细分析了光电探测器的等效噪声模型, 理论上给出了光电探测器的电子学噪声和信号噪声输出特性; 作为比对分析, 同步建立了探测器的PSpice软件仿真模型, 分析了运算放大器的电压噪声、电流噪声以及寄生电容等参数对光电探测器性能的影响。在理论和仿真分析的基础上, 利用增益带宽积为3.9 GHz的低噪声运算放大器OPA847研制了宽带光电探测器, 光电探测器在分析频率100 MHz内的噪声功率谱线比较平坦, -3dB带宽约为110 MHz。

量子Fisher信息作为精密测量领域中的重要概念, 其倒数给出被测参数可达精度的上限。本文利用右对数导数给出开放量子系统量子Fisher信息流的表达式, 并将其应用于与非马尔可夫环境相互作用的二能级系统, 讨论了利用右对数导数给出的量子Fisher信息流的正负性与非马尔可夫过程之间的关系。此外, 系统在演化的过程中, 量子Fisher信息流存在奇异性, 该奇异性与量子Fisher信息的奇异性同时出现, 它们均来源于密度矩阵某一趋于零的本征值。

量子随机数因为其不可预测性和真随机性, 在信息安全方面发挥着越来越重要的作用。现有的随机数生成协议大都假定光源服从一定确知的分布概率, 然后通过测量值估算可提取随机数的最小熵。但是由于实际光源器件的不完美, 其光强分布存在一定波动, 倘若在计算最小熵过程中忽略该强度波动, 将导致计算最小熵数值偏大, 影响安全性; 倘若使用传统的方法考虑光强波动, 则导致估算结果过差, 降低可获取随机性的大小。针对该问题, 本文提出了一种具有光源监控功能的量子随机数发生器方案, 并且以基于维度目击值的自检测量子随机数发生器协议为例进行介绍。仿真结果显示通过在源端添加光源监控模块的方法, 能够对单光子贡献的上下界给出更紧致的估计, 与传统方法相比, 能够获得更高的最小熵和随机性。该方案为量子随机数发生器的实用化提供了一个有用的工具。

在87Rb冷原子系综中通过自发拉曼散射过程产生原子自旋波与光子的关联, 利用偏振干涉仪将与磁敏感自旋波关联的Stokes光子的两个空间模式编码为一个偏振量子比特, 产生磁敏感自旋波与光子的纠缠源。采用近共线装置和精确补偿地磁场, 纠缠源的寿命达到900s, Bell参量S=2.58±0.03。

基于分数阶三次-五次非线性薛定谔方程, 数值研究了初始啁啾对双艾里光束传输特性的影响。结果表明: 当同相的两个艾里光束初始间隔为零时, 在分数阶衍射效应和初始啁啾共同作用下形成呼吸孤子或相互排斥的孤子对。艾里光束相互吸引时可以产生准稳定传输的呼吸孤子, 而相互排斥时则形成横向间隔增大的孤子对。当初始间隔不为零时, 初始啁啾的绝对值越大, 两个艾里光束之间的排斥力越强, 光束演化偏转角也越大, 且随着Lévy指数的增大, 衍射效应使光束宽度变大。当初始输入的两个艾里光束反相时, 整体均表现为排斥作用, 且初始啁啾越大, 两艾里光束间的排斥力越强。

为提高光载无线(radio over fiber, ROF)中光生毫米波的倍频系数及降低系统的复杂度, 提出了一种基于级联双驱动马赫曾德尔调制器(dual-drive Mach-Zehnder modulator, DMZM)与高非线性光纤(highly nonlinear fiber, HNLF)相结合的24倍频毫米波光载无线通信系统; 通过调节参数使两个调制器均工作在最大偏置点, 产生频谱纯净的四阶光边带, 采用单边带调制的方式将数据信号加载到?偉d4阶边带而后两边带耦合传输, 经过HNLF的四波混频效应后滤波得到12阶光边带, 最终由光电探测器(photo detector, PD)拍频生成高质量的24倍频毫米波信号。此外, 分析了HNLF的长度、入纤光功率以及标准线性光纤对系统性能的影响, 仿真结果表明, 当系统处于无差错传输时, 背靠背(back-to-back, BTB)传输与经30 km光纤传输后的功率代价为2.5 dB。该方案结构简单、成本低廉、倍频系数高, 为微波光子学的发展提供了一种新途径。

作为光与石墨烯中的传导电子在其表面形成的准粒子, 量子等离激元因其展示出的对光超越衍射极限的强束缚特性而在发展量子互联器件方面有很大的应用前景。然而石墨烯对量子等离激元显著的吸收通常会导致其所介导的量子信息发生耗散, 这极大地限制了其应用。本文我们通过研究量子辐射体和单层石墨烯表面的量子等离激元的近场强耦合, 提出了一个克服损耗量子等离激元对辐射体量子相干性破坏作用的物理机制: 我们发现随着量子辐射体和石墨烯之间距离的减小, 它们形成的总系统能谱中会出现一个束缚态, 此时辐射体量子信息的完全耗散将被有效抑制, 且最终可以持续保持到稳态。我们的结论提供了一个抑制损耗量子等离激元对辐射体量子信息破坏作用的行之有效的方法, 这为发展量子激元器件提供了一定的理论基础。

为了解决传统的荧光光谱采集系统与光探测磁共振(optically detected magnetic resonance，后文简称ODMR)光谱采集系统存在的搭建繁琐、检测样品聚焦精度较低、采集系统之间转换困难以及ODMR光谱采集信号信噪比和采集精度较低的问题，设计了基于光纤传感的荧光采集与ODMR光谱采集转换系统。通过光纤将激发光源电路、微波传感天线、光纤传感器、显微聚焦光路、PD(photodetector)放大电路、信号处理模块以及荧光光谱仪各模块进行耦合集成，为信号处理的软件提供硬件部分支持。在软件部分，通过开源程序编写实现信号数据处理以及光谱成像功能，利用PD放大电路对数据进行初步处理之后，在软件部分通过信号处理模块进行进一步处理，数据以图谱形式呈现，并且最终磁灵敏度达到0.51nT/Hz1/2。