基于冷原子系综的窄线宽单光子态的表征研究

论文摘要

单光子态在量子信息处理、量子通讯以及量子计算等领域的应用前景非常广泛,因此其已经成为量子光学领域最重要的研究对象之一。单光子可以由不同的介质系统产生,比如NV色心、原子气体、量子点、单原子及单分子等。但是无论是由何种源产生的单光子,都需要测量单光子态的品质,比如线宽,谱线明亮度,单光子纯度,不可分辨率,态密度矩阵等。本文所研究的单光子态是在85Rb冷原子系综中通过四波混频过程产生的宣布式单光子源。本文的研究重点是运用光子计数和光电流探测这两种量子态表征技术分别测量单光子态的相干时间、不可分辨率、单光子纯度以及数态密度矩阵。本文的内容主要分为三个部分。第一部分详细介绍了单光子源的研究背景及以85Rb二维磁光阱冷原子系综作为非线性介质产生窄线宽（MHz量级）的宣布式单光子的物理机制;第二部分详细论述了基于光电流探测的量子层析技术在窄线宽单光子的态表征中的应用。此工作首次把量子层析技术应用于通过电磁诱导透明（EIT）效应调控的窄线宽单光子源的态表征中。从实验测量的结果中重构出了表征光子数态特征的准概率分布函数——Wigner函数及其对应的数态密度矩阵,以及表征其时域特征的时间态密度矩阵。第三部分论述了通过光子计数探测测量光子的关联函数以此来表征单光子的时间态纯度的方法。我们通过两套独立的单光子源进行Hong-Ou-Mandel干涉表征单光子的不可分辨率及态纯度。同时,首次证明了在小于10ns的探测器时间分辨率条件下,单光子纯度可以达到80%。本文关于原子型窄线宽单光子的态表征研究对量子信息处理、量子通讯及光子的量子计算等领域有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 单光子态的定义
•   1.2 单光子源介绍
•     1.2.1 确定性单光子源
•     1.2.2 几率性单光子源
•     1.2.3 窄线宽宣布式单光子
•   1.3 理想的单光子源
•   1.4 光的探测手段
•     1.4.1 光电流探测
•     1.4.2 光子数探测
•   1.5 章节内容
• 第二章 光与原子相互作用理论模型
•   2.1 原子系综的理论模型
•     2.1.1 二能级原子
•     2.1.2 光学厚度
•     2.1.3 三能级原子
•     2.1.4 四能级原子—双Λ结构
•   2.2 光场的量子理论
•     2.2.1 光场的量子态
•     2.2.2 量子关联函数
•     2.2.3 光的正交分量
•     2.2.4 Wigner函数
• 第三章 磁光阱与单光子源实验系统
•   3.1 真空系统
•   3.2 激光冷却原理与磁光阱
•     3.2.1 磁光阱原理
•     3.2.2 光的频率设置
•     3.2.3 时序设置
•     3.2.4 激光器锁频
•   3.3 系统优化
•     3.3.1 光学厚度测量
•     3.3.2 电磁诱导透明 （Electromagnetically-induced transparency, EIT）
•     3.3.3 基于四波混频产生的窄带双光子态
• 第四章 光量子层析对单光子态的全面表征
•   4.1 背景介绍
•   4.2 平衡零拍探测原理
•   4.3 最大似然算法
•   4.4 单光子光子数态的量子层析
•   4.5 窄线宽单光子时域态的表征
•     4.5.1 正交分量电流的自关联矩阵与时域密度矩阵的关系
•     4.5.2 时域密度矩阵测量实验
•   4.6 总结
• 第五章 光子计数方法对单光子时域态纯度的表征
•   5.1 单光子态的时域纯度
•   5.2 Hong-Ou-Mandel干涉
•     5.2.1 HOM干涉基本原理
•     5.2.2 窄线宽宣布式单光子的HOM干涉的量子关联函数
•   5.3 独立单光子源HOM干涉的实验设置
•   5.4 实验结果
•   5.5 总结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的科研成果目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 顾振杰

导师: 张卫平,陈洁菲

关键词: 冷原子,单光子,四波混频,量子干涉,干涉,量子层析,量子态重构

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 华东师范大学

分类号: O431.2;O562

DOI: 10.27149/d.cnki.ghdsu.2019.000107

总页数: 100

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