基于光学双腔的连续变量相干反馈控制研究

The light field of squeezed state is the basic resource of quantum prcecise measurement,quantum cummunication and quantum computation. Optical parametric amplifiers (OPA) have been proved to be an effective tool to generate squeezed light. In a long time the methods to increase the squeezing degree are mainly improving the nonlinearcoversion coefficent, reducing the noise in the pump light, reducing the intracavity loss and increasing the pump power. Using a cavity with a little high finesse for pump second harmonic wave is effective to decrease OPA power consumption. Making this low loss OPA as the basic element for the generation or feedback of squeezed light, this project intends to study the physical mechanism and experimental technologhy of continuous-variable coherent feedback control by the semmiclassical theory. The optical feedback control may be more efficent for the stability of the squeezer than the control only by electro-optical modulation and photoelectric measurement, and also may be benefit for quantum information process as no measurements destroy the quantum state. Moreover, the significance of this project lies in laying some research foundations of udderstanding quantum feedback mechanism using common optical elements and the integration of quantum devices. The project applicant engaged in the related research in recent years and has certain base for futher research.

压缩态光场是进行连续变量量子精密测量、量子通信和量子计算的基本资源。利用光学参量放大器(OPA)中的二阶非线性过程被证明是产生压缩态光场的最有效的办法。长期以来提高压缩度的方法主要是增加非线性转换系数、降低泵浦光噪声、减少内腔损耗和增加泵浦光的功率。最近有研究表明利用OPA级联和光学反馈的方法可以增加光场的压缩度。采用对泵浦二次谐波精细度也较高的谐振腔，有利于降低OPA功耗。本项目利用半经典理论，把这种低功耗OPA作为压缩态光场产生和反馈的基本元件，研究连续变量相干反馈控制的物理机制和实验技术。这种光学的反馈控制可能比仅依靠i电光调制和光电测量的反馈控制更能提高OPA产生压缩的稳定性，并且没有因为测量导致量子态破坏而更有利于量子信息处理。项目研究意义还在于可以利用常用光学元件理解量子的反馈机制并为量子器件集成奠定一些研究基础。项目申请者近年从事相关的研究，具有一定的研究基础。

量子精密测量、量子通信和量子计算是目前量子信息科学研究的热点。基于光学腔中的二阶非线性过程产生的连续变量量子态光场是量子信息研究的重要工具。长期以来提高压缩度的方法主要是增加光学参量振荡器内晶体的非线性转换系数、降低泵浦光噪声、减少内腔损耗和增加泵浦光的功率。我们将分束器模型引入半经典的郎之万方程，得到了光学参量振荡器输出场压缩度的一般表达式，结果表明适当提高输出镜透射率有利于压缩度的提高。利用光学双腔的相干反馈可以提高系统的稳定性。通过调节光路中的相位因子，可以实现对压缩态的任意高斯操作。利用量子噪声锁定技术，可以减少干涉相位锁定的个数，并实现热态光场的量子通信。对正方形非线性波导的研究表明，基波和二次谐波模场分布接近高斯分布，光斑大小基本相同。当波导中原子与光子之间的耦合为理想手性耦合时，在忽略耗散的情况下，通过选择合适的经典驱动场的Rabi频率，可以实现效率为1的光子频率下转换或上转换。该项目的研究加深了对单个量子系统的理解，特别是积累了相位控制和锁定技术，为量子器件集成奠定了一些研究基础。