用于量子通讯的多通道可编程分光器的研究

量子通讯技术具有高效和绝对安全等特点，是下一代信息科学的关键技术，也是当今量子物理和信息科学领域的研究热点。远距离量子通讯需要量子中继器来克服信道吸收导致的通信失败。虽然量子中继器最近已经实现，但其效率还需要大大提高。量子中继器主要包括量子存储器和分光器，很多小组正在进行如何优化量子存储的研究，本项目则拟研究一种新型的可编程、多通道分光器，有望大幅度提高量子中继的效率。该分光器基于常温下镀膜的原子蒸气池，利用原子的快速运动散布载有光信息的原子相干态，实现分光的功能。申请人前期的工作已经初步验证了此分光原理的可行性，但效率还很低，没有实现多通道运转。拟在本项目中研究分光效率低的物理原因，采用新颖的方案提高效率，并研究多通道分光的原理和实验实现。本分光器不仅可以提高长程量子通讯的效率，而且可以作为其他量子器件如多光子纠缠，长时间量子存储等的平台，其常温运转的特性将推进量子信息的实用化。

对光进行相干性操控是光通讯领域的重要课题，而原子是进行该研究的独特体系。我们使用镀有抗驰豫膜的原子蒸气池，将光的信息写入原子的自旋态上，通过对原子自旋态的控制来对光进行空间分束。这种原子分光器可以实现多路和可控运行，在传统和量子光通讯中有重要的应用。然而以往的原子分光器效率低于1%，大大限制了其作用的发挥。本项目中，我们通过对系统的参量优化和采用新的物理机制，实现了30%的效率，是以往结果的50倍。我们还发现，可以用与原子作用的光的相位以及原子所处的磁场环境来调节分光器的各路分光比。同时在基础物理现象方面，我们揭示了镀膜铷原子蒸气池中电磁诱导透明（EIT）谱线的线宽对外界磁场梯度进行平均的能力与光斑大小、光强的反直观的关系，提出并实现了一种新的实现相位敏感相互作用的简单方法，即通过静态磁场来产生封闭的光与原子相互作用的回路；观察到光存储信号的双指数衰减现象，有望实现秒级别的长时间存储。