量子光学实验中宽带低噪声光电探测器的研制

针对量子光学实验的特殊要求,通过设计优化宽带低噪声放大电路,研制出宽带低噪声光电探测器。我们重点分析了影响光电探测器增益、带宽和噪声的因素,通过选择合适的光电二极管、取样电阻、反馈电阻和输出电容,获得了宽带低噪声光电探测器。该光电探测器的带宽为2~50 MHz,能够用于输入功率达15 mW光场的噪声测量,适用于包括平衡零拍探测、差拍探测等量子光学实验。考虑到在量子光学实验中需要一对平衡的光电探测器,我们制作了一对2 MHz^31 MHz带宽内共模抑制比大于30 dB的平衡光电探测器,并用于1064 nm激光和1550 nm激光的强度噪声测量和散粒噪声基准的校准。

基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪

量子增强型光学相位追踪作为高精度跟踪和测量光学相位的量子光学技术,在目标定位、量子测距以及相控阵雷达和唢呐等领域中有着重要应用.本文提出一种基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪协议.采用中心波长为1064 nm的连续固体激光光源,结合光学参量振荡器以及Pound-Drever-Hall(PDH)锁定技术,制备得到初始压缩度为(8.0±0.2)dB的相位压缩态光场.通过信号调制及解调技术,实现对压缩态光场相位的控制,从而实现对光学相位0-2π范围内的量子增强型追踪.与经典协议相比,这一协议可以将相位追踪的噪声起伏抑制至散粒噪声基准以下至少6.27 dB,实现了相位追踪精度至少76.4%的量子增强.由于到达角估计、相控阵雷达、相控阵唢呐等应用领域对相位测量精度要求极高,这一协议有望将相位估计的精度提高至突破散粒噪声极限,为相关领域提供压缩光源,也为更高精度的空间定位及量子测距技术提供理论和实验基础.

四能级原子量子相干过程中瞬态光学特性

利用半经典理论研究了N-型四能级相干原子的瞬态光学特性。理论分析表明:当信号光开启的瞬间,介质对探针光的非线性吸收从接近于零的状态迅速增加,经过驰豫振荡过程,趋于稳定状态。本文的研究结果将为吸收型光子开关的设计提供理论依据和参考。

EPR纠缠光束时域量子关联的实验验证

我们利用平衡零拍探测系统和数据采集系统直接测量了EPR纠缠光束信号光场与闲置光场正交分量之间的时域量子起伏,验证了其量子关联。通过对EPR纠缠光束中的一束光场进行延迟,验证了信号光与闲置光不同步时将导致量子关联减弱乃至消失。我们的实验结果为开展连续变量量子密钥分发、非高斯态的实验制备和纠缠纯化奠定了实验基础。

1．3μm量子通讯波段强度差压缩光的实验产生

利用输出波长为1.3μm的全固态单频红外激光器进行外腔倍频,获得稳定的外腔倍频红光激光输出,产生的红光用来泵浦由Ⅱ类非临界相位匹配的LBO晶体构建的光学参量振荡腔。在光学参量振荡器非简并运转的情况下,观察到了信号光和闲置光的强度差起伏的关联,实测强度差噪声压缩度为3.9 dB。

利用明亮纠缠光的连续变量量子离物传态的实验研究

我们利用单个II类相位匹配OPA产生的双模压缩态实现连续变量压缩纠缠态 ,完成了连续变量量子离物传态。利用II类相位匹配OPA参量缩小过程可以实现正交振幅反关联、正交位相关联的压缩纠缠态 ,与运转于阈值以下的OPO产生的正交振幅关联、正交位相反关联的压缩纠缠态相比 ,这种纠缠可以采用直接平衡测量的方法完成Bell态测量。利用双KTP补偿非线性过程的离散效应 ,获得了最大压缩大于 2dB的双模压缩纠缠态 ,采用直接测量的方法 ,我们完成了真空场正交分量的离物传送。探测器探测效率 93% ,保真度达到 0 .5 9。采用这种方案简化了测量方法与纠缠光源产生装置 ,有利于进行量子通信的实验研究与应用。

光学偶极俘获及单量子测量

对目前的腔QED系统实现强耦合的条件进行了讨论。主要内容包括 :获得强耦合的一般条件 ,我们目前的可能达到的最好结果分析 :不同腔组合可能达到的参数 ,与量子点、光子晶体、纳米腔以及微球腔QED的比较 ;单原子 (单光子 )测量的基本过程 :单原子辐射的基本特点 ,非经典性的测量 ,包括差拍测量 ,光子统计特性的分析。不同单光子量子态 (或多光子量子态 )在采用HBT实验测量中的修正等问题。对热光和相干光的初步实验对比证实了理论模型。原子操控的进展 :铯原子光学偶极俘获 ,最近的实验结果 ,利用CCD荧光探测对偶极阱的测量结果。

连续变量受控密集编码量子通讯与无条件纠缠交换的实验实现

利用运转于参量反放大状态的非简并光学参量放大器 (NOPA)所产生双组份EPR纠缠态光场 ,经分束器线性光学变换 ,我们获得了完全的三组份不可分态。所产生的三个空间分离的光学模具有三模正交振幅与相对正交位相量子关联特性。将三个纠缠光学模分别分配到发送站 (Alice)、接收站 (Bob)与控制站(Claire) ,我们完成了连续变量受控密集编码 (controlleddensecoding)量子通讯 ,Alice和Bob之间通讯的信道容量受控于Claire。近期 ,我们构建了双NOPA实验装置 ,并用以完成了无条件纠缠交换 (unconditionalentanglementswapping)实验。两台NOPA的共振频率锁定于同一激光信号源 ,并由同一激光器产生的二次谐波泵浦 ,因此它们经参量下转换产生的EPR纠缠态光场具有经典相干性但没有任何量子关联。通过对二束EPR纠缠光束之半进行联合贝尔态测量 ,它们的空间分离的另一半虽未直接相互作用 ,却产生了纠缠 ,即完成了纠缠交换。借助于经典信号调制与检测站的直接贝尔态探测 ,我们从实验上测定了由纠缠交换所产生的纠缠度 ,实验结果与理论预测符合很好。

基于硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发

在连续变量量子密钥分发系统中,同步技术是确保通信双方时钟和数据一致的关键技术.本文通过巧妙设计发送端和接收端仪器的硬件时序,采用时域差拍探测方式和峰值采集技术,实验实现了可硬件同步的四态离散调制连续变量量子密钥分发.通信双方在设计好的硬件同步时序下可实现时钟的恢复和数据的自动对齐,无需借助软件算法实现数据的对齐.本文采用了加拿大滑铁卢大学Norbert Lütkenhaus研究组提出的针对连续变量离散调制协议的安全密钥速率计算方法.该方法需计算出接收端所测各种平移热态的一阶矩和二阶(非中心)矩,以此为约束条件结合凸优化算法可计算出安全密钥速率.计算过程中无需假设信道为线性信道,无需额外噪声的估算.密钥分发系统重复频率为10 MHz,传输距离为25 km,平均安全密钥比特率为24 kbit/s.本文提出的硬件同步方法无需过采样和软件帧同步,减小了系统的复杂度和计算量,在一定程度上降低了系统所需的成本、功耗和体积,有效地增强了连续变量量子密钥分发的实用性.

基于微尺度光学偶极阱的一维单原子阵列的实验制备

光学偶极阱俘获的中性原子阵列是多体物理、量子计算、量子模拟等领域的重要实验平台.本文详细介绍了制备包含40个铯原子的一维均匀单原子阵列的实验过程,包括偶极阱阵列的产生装置、原子阵列荧光成像以及偶极阱阵列均匀性优化.偶极阱阵列的非均匀性主要是由声光偏转器(AOD)衍射效率的非线性和多频率射频信号在功率放大过程中的互调效应引起.测量偶极阱光强和受俘获原子光频移的起伏并反馈优化施加于AOD多频率射频信号的相位和振幅,将偶极阱阵列的强度均匀性优化为2%.另外,实验测量了偶极阱阵列内原子的振荡频率、装载率和寿命的均匀性.结果显示,振荡频率均匀性为2%;单原子平均装载率为58%,阱中原子的光谱一致性为3%;单原子暗阱平均寿命约为6(1) s,不同原子寿命的起伏为8%.

连续变量1.34 μm量子纠缠态光场的实验制备

设计研制了连续单频671 nm/1342 nm双波长激光器,并通过模式清洁器降低了激光器额外噪声.利用该低噪声连续单频激光器抽运由Ⅱ类准相位匹配晶体构成的双共振非简并光学参量放大器,实验制备出纠缠度达3 dB的光通信波段1.34μm连续变量量子纠缠态光场.该波段量子纠缠态光场在光纤中传输损耗低且相散效应小,与现有的光纤通信系统相兼容,可用于实现基于光纤的实用化连续变量量子通信.

基于原子天线的低频电场量子精密测量和应用

基于原子系综的量子精密测量体系具有高准确和高稳定的特点,是未来先进测量体系的发展方向之一。其中,基于里德堡原子的电场测量具有高灵敏、超宽带以及优异的电气隔离等特性,近年来受到广泛关注。然而,当前基于里德堡原子的电场量子精密测量研究多集中于微波频段,GHz以下的低频电场测量研究较少。鉴于DC~MHz频段电场的高灵敏探测在地球物理、生物传感、国防通信、太空探索等方面具有重要的科学意义和应用价值,本文梳理了DC~MHz频段的新型天线研究进展,综述了近年来原子天线技术的发展趋势,概述了基于里德堡原子的低频电场测量原理,并分析讨论了原子天线在灵敏度、瞬时带宽等关键性能指标方面的提升方案及在未来低频探测领域的潜在应用。

基于单分子量子相干调制的细胞温度成像技术

目的细胞温度成像可以帮助科学家研究和理解细胞内部的温度分布,揭示细胞代谢和生物化学过程的关键信息。目前,基于荧光温度探针的细胞温度成像技术存在低温度分辨率和有限测量范围等限制。本文旨在利用单分子量子相干过程依赖温度的特性,开发一种单细胞温度成像和实时检测技术。方法基于飞秒脉冲激光制备延时和相位可调的飞秒脉冲对,调制的脉冲对通过显微系统激发细胞内标记的荧光单分子,之后收集并记录每个荧光光子的到达时间。利用单分子相干过程与周围环境温度的关系,定义单分子量子相干可视度(V),建立V与环境温度的对应关系。通过调制解调荧光光子的到达时间,获取单分子周围环境温度,结合扫描成像,实现细胞的温度成像和实时检测。结果该方法可以实现高精度(温度分辨率<0.1℃)和大范围温度(10~50℃)的温度成像和测量,并观测到了单个细胞代谢相关的温度变化。结论该研究有助于深入了解细胞代谢、蛋白质功能和疾病机制,为生物医学研究提供重要工具。

光学腔增强Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆读出效率的研究

量子中继是长距离纠缠分发的关键组成部分,而基于原子系综存储的读出效率是量子中继能否实用化的一个重要指标.本文利用冷原子系综中的自发拉曼散射过程产生Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆,在原子系综周围搭建环形腔,增强光与原子相互作用,从而提高读出效率,然而,腔内原子的能级分裂使量子记忆的读出效率降低.本文研究了读出效率随读光相对于原子共振线失谐量的变化关系.结果显示:当读光的失谐量为80 MHz时,本质读出效率为45%,这时腔对读出效率的增强倍数为1.68倍.

双模压缩态量子相干性演化的实验研究

量子相干性作为量子力学一个最显著的特征,被认为是量子信息过程中很重要的一种量子资源.单模压缩态和双模压缩态(Einstein-Podolsky-Rosen纠缠态)均具有量子相干性,在制备和传输过程中的量子相干性对于实际应用具有重要意义.利用平衡零拍探测重构量子态的协方差矩阵,本文定量分析了量子态制备过程中的不完美以及信道传输损耗对单模和双模压缩态量子相干性的影响.实验证明量子态的压缩和纠缠特性及量子相干性对损耗均是鲁棒的.特别地,压缩和纠缠特性会随着量子态制备过程中热光子数的增大而减小,直至消失,而当压缩和纠缠均已消失时,量子相干性依然存在.实验结果为压缩态、纠缠态光场的量子相干性作为量子资源在量子信息过程中的应用提供了参考.

基于压缩光的量子精密测量

对任何物理量的测量都有一定的噪声,经典测量所能达到的最小噪声一般称为散粒噪声,对应着测量的标准量子极限.利用压缩光可以突破标准量子极限,从而提高测量精度.本文介绍了压缩态光场用于突破标准量子极限的基本原理,以及压缩态光场在相位测量、光学横向小位移及倾斜测量、磁场测量以及时钟同步等精密测量领域的应用和最新进展.

腔量子电动力学与量子信息过程

本文简要介绍了实现量子信息的几种可能方案,特别是腔QED方案的背景、特点、主要困难和目前的进展,同时介绍了山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室在这方面的实验进展。

基于集成量子压缩光源的量子增强多普勒激光雷达(特邀)

传统激光雷达探测灵敏度不断提高,但仍然受激光光源的量子噪声以及探测端引入的额外噪声等因素限制。为了进一步提高激光雷达的探测性能,提出利用量子压缩态光场作为激光雷达的本振信号提高激光雷达探测精度的新方案,分析了所提出方案提高激光雷达探测精度的关键因素。制备了集成化低噪声压缩态光场并进行了激光雷达多普勒信息测量实验。实验结果表明,相较于传统相干多普勒激光雷达探测方案,所提方案实现了多普勒信息探测灵敏度3 dB的提升,为量子激光雷达中多普勒信息等微弱信号的探测提供研究途径。

基于量子相干效应的无芯射频识别标签的空间散射场测量

基于原子蒸汽池中铯里德伯原子的电磁感应透明光谱在微波场作用下的Aulter-Towns效应,测量了无芯射频识别标签线形散射单元的近场散射微波电场二维空间分布,空间分辨率可达到亚微波波长.实现了射频电场极化方向与线形散射体标签夹角的有效分辨.电磁仿真软件的仿真结果与实验测量符合得很好.本研究提供了一种测量微波电场近场测量的新方法,对无芯射频识别标签的散射单元设计和标定以及电子电路的电磁辐射测量具有重要的意义.

基于光场量子态的连续变量量子信息处理

连续变量量子信息是量子信息科学研究的一个重要内容。基于光学模的连续变量量子信息处理,以光场量子态为量子资源,结合各种量子操控手段,完成信息的传输和处理。本文简要介绍用于连续变量量子信息处理的光量子态的概念、制备方法和操控手段,以及连续变量量子通信、量子计算和量子纠错方面的研究进展和发展趋势。