基于冷原子系综的窄线宽非经典光的量子态调控与应用

Single-photon source and entangled photon pairs, and their manipulation are attracting wide interest in the community of quantum optics. The nonclassical light have been found significant applications in the quantum information, network and cryptography. We generate nonclassical light with long coherence time, via four-wave mixing process in cold atomic ensembles with high optical depths. With much narrower atomic-linewidth compared to that of solid-state material, cold atomic ensemble can generate photon pairs and single photons with coherence time above nano-seconds. This enable the temporal correlation function to be detected and the temporal quantum state to be modulated directly. Based on these advantages, we first measure the quantum state of single photon in the phase space through recovering Wigner function. Also we demonstrate nonlocal modulation with the time-frequency entangled paired photons. Finally, we employ this source into the entanglement swapping between distant ensembles, including polarization entanglement and time-frequency entanglement.

单光子和纠缠光子对等非经典光场以及对他们的调控是当今量子光学的前沿热点问题，因这些非经典光源在量子信息、量子网络、量子加密等应用领域中起重要作用。本项目从高光学厚度冷原子系综通过四波混频过程制备长相干时间非经典光源。冷原子的能级展宽远低于固态介质能级展宽，其产生的光子对、单光子等非经典光对应的相干时间达到纳秒，甚至可延长到微秒量级。因此非经典光场的时间关联函数可被直接探测并时域调控。本项目根据从冷原子系综产生的窄线宽非经典光场在时间频率维度上的优势，开展对其时间-频率量子态的调控和其在远距离独立系综间量子态交换中的应用。本项目的主要内容包括：还原Wigner函数以测量单光子在相空间的量子态，以获取全面量子态信息；在频率纠缠光子上中实现非局域调制；实现两个独立冷原子系综间的偏振纠缠态和时间-频率纠缠态的纠缠交换。

本项目利用冷原子系综制备窄线宽非经典光场在时间频率维度上的优势，开展对其时间-频率量子态的表征、调控，以及探索此类量子纠缠光源用于远距离独立系综间的量子态交换。进一步深化在诸如量子纠缠态、单光子态的产生和控制等基础科学问题上的认识，对时间频率维度的量子纠缠态的开发和其在非局域调控的应用提供参考例子。主要研究内容及重要结果、关键数据包括：（1）由两个独立原子系综制备频率纠缠窄线宽光子对，在实验中观测得到干涉对比度为80%的量子拍频信号，远远超过经典理论预言的50%的极限，因此证明由两套独立单光子在经过线性分束后能得到频率本纠缠态；（2）为了全面地表征单光子的时间量子态，我们把平衡零拍探测技术应用在这种窄线宽非经典光源的测量中，并首次在没有谐振腔或者频率滤波器件的情况下通过平衡零拍探测技术精确测量出窄线宽单光子的时间频率自由度上的模式函数，并其完整的时频态的密度矩阵。我们在实验上演示了时频模式的直接表征方法，因此此项工作为利用单光子的时频模式作为量子比特应用在量子信息与量子通讯中开辟道路；（3）光和原子自旋波的混合分束器研究。利用磁光阱冷原子系综演示了一个可调的非厄米分束过程，并观测到了行进中的光波与定域的原子自旋波之间的直接干涉。从厄米到非厄米原子-光界面的转变是通过控制由原子激发态能级操控的相干和非相干相互作用来实现；（4）利用原子系综所产生的窄线宽纠缠光子对完成多模单光子态qudit的隐形传输所需的EPR纠缠源。我们首次提出了基于全线性元件的多模单光子态的隐形传输方案。项目基本按照计划执行。项目期间共发表标注受本项目资助的SCI文章 7篇，包括一篇Physical Review Letters和一篇Physical Review Applied。此外，项目共培养了3名硕士研究生和4名博士研究生。