基于里德伯原子天线的低频电场波形测量

里德伯原子的高极化率可以实现电磁场的多维度参数测量.本文利用室温里德伯原子构建原子天线,基于原子天线将低频电场幅度信息转化为强度信息,从而实现低频电场的参数测量.实验采用双光子激发制备铯原子里德伯态,通过阶梯型电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)光谱实现里德伯原子量子态的检测,基于内置电极技术在室温原子气室导入k Hz频段低频电场.电场中里德伯原子的Stark频移会在EIT过程导致双光子失谐,从而引起EIT光谱频移和强度变化.在弱电场条件下,EIT光谱频移可以忽略,EIT透射强度与输入低频电场强度近似为线性关系,基于该效应可以实现低频电场的波形、幅度、频率等参数测量.

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.

基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器

动态偏振控制器能够实现输入光场任意偏振态到输出光场任意偏振态的控制,可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应,是量子通信和相干通信系统中的重要器件.本文设计并实验验证了基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器,芯片采用标准的绝缘体上硅工艺制作,器件整体尺寸为5.20 mm×0.12 mm×0.80 mm,整体损耗为5.7 dB,最大功耗为0.2W.基于可变步长.模拟退火算法、低噪声探测器和高静态消光比的器件,动态偏振消光比可锁定至30 dB以上.芯片采用热相移器对TE0光场的相位延迟量进行控制,整体为0°/45°/0°/45°结构,可实现无端偏振控制.基于Lumerical软件对核心部件偏振旋转分束结构进行了优化,该结构将以端面耦合方式进入波导中的TM0模式光场转化至另一波导中的TE0模式光场,而原单波导中TE0模式光场不发生转化,实验测得动态偏振控制器的静态偏振消光比可达40 dB以上.该器件具有小体积、低功耗和低成本的特点,可以广泛应用于量子通信和相干通信等领域,特别是需要考虑体积、功耗和成本的应用场合.

用于铯原子里德伯态激发的509nm波长脉冲激光系统

介绍了一种用于里德伯原子激发的纳秒脉冲激光系统.实验利用两个kHz线宽的1018 nm连续激光器作为种子源,通过两个20GHz带宽的光纤调制器产生时间分离的脉冲激光;脉冲激光经掺镱光纤放大器后输出峰值功率约4600 W,单次穿过PPLN(周期极化铌酸锂)晶体倍频获得509 nm脉冲激光,典型脉冲激光峰值功率约173W.该激光系统单路输出脉冲重复频率在300 kHz-100 MHz范围连续可调,脉宽在1-100 ns范围连续可调.该509 nm激光在聚焦条件下可以实现GHz带宽的铯原子里德伯态激发.

单原子光镊的激光强度起伏对原子俘获寿命的影响及改善

使用单束强聚焦的基模高斯光束可以构建光镊装载原子。虽然光镊一般选择远离原子共振跃迁线的激光,但是光镊的强度起伏仍然会导致原子逃逸,这样原子在光镊中的俘获寿命问题就变得至关重要。本实验以声光频移器(AOM)为主要元件,并施加外部反馈控制电路抑制937.7 nm波长光镊频域上的强度噪声以及时域上的功率起伏,降低光镊对原子的参量加热,从而有效延长原子在光镊中的俘获寿命。典型的频域噪声抑制带宽17 kHz,噪声强度抑制10 dB,时域内激光强度起伏可以从峰峰值起伏±1.350%抑制到±0.036%,有效地降低了光镊的强度起伏。实验结果表明我们可以将937.7 nm波长光镊中单个铯原子俘获寿命从200 ms延长至1 180 ms.为后续原子内态的制备、激发等操作提供充足的时间,保证原子处于俘获状态,提高了实验成功率,缩短了实验时长。

用于里德堡原子激发的激光系统实现

里德堡原子具有较大的电偶极矩,可以作为一种对微波场强具有高灵敏度的传感器。制备铯里德堡原子需要852 nm和509 nm单频窄线宽可调谐激光系统,目前的509 nm激光系统多为实验室用样机,稳定性和实用性较差。本文提出了一种结构稳定的猫眼式激光系统,该系统可实现200 m W,1018 nm和50 m W,852 nm单频激光输出,采用电流、压电调节方式实现激光波长调谐和频率锁定;将1018 nm激光作为种子源,激光经过窄线宽掺镱光纤放大器后将功率放大至5 W,之后进入光纤耦合式单通掺氧化镁周期极化铌酸锂(Mg O∶PPLN)晶体进行倍频,实现了大于470 m W的509 nm激光输出。基于此激光系统实现了n=67的里德堡原子制备,得到了线宽约为5 MHz的D态电磁诱导透明光谱,为后续构建量子微波场强测量装置提供了核心单元。

基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量

利用室温铯原子里德堡态构建原子天线,研究原子天线对30MHz~40GHz频率范围电磁波信号的响应特性。实验中,通过852nm和509nm的双光子激发方案实现里德堡原子的量子态制备,通过阶梯型电磁感应透明光谱实现电磁波信号测量。实验研究了66S_(1/2)、66D_(5/2)、76D_(3/2)里德堡态的宽频电磁波响应特性,研究发现近共振条件下,原子与电磁场通过电偶极共振跃迁耦合,光谱信号较强,系统的测量灵敏度为-110dBm/Hz±2dBm/Hz,线性动态范围为40dB;失谐条件下,原子与电磁场的相互作用主要是AC Stark频移,光谱信号较弱。对于铯原子,66S_(1/2)与66D_(5/2)里德堡态在30GHz附近存在测量不敏感区;76D_(3/2)量子态在30MHz~40GHz范围的偶极共振跃迁分布均匀,实验没有测量到明显的不敏感区。