原子系综中非经典光量子态的时域调控研究

The generation of nonclassical light is crucial to addressing fundamental quantum issues and achieving quantum applications. People demand to improve the efficiency of information transmission and processing with light quanta. Either single photons or photon pairs are traditionally manipulated in the degrees of freedom (DOF) of polarization and spatial mode, while the exploration in the time-frequency domain stands as a new direction. We exploit this last DOF for its application in quantum information science, based on the temporal modes of single photons. The advantages of temporal modes lie in the ability of building high-dimensional quantum network, and direct transmission through single-mode fiber with low loss. The single photons produced from spontaneous parametric down conversion in crystal have low temporal purity due to their short coherence time. Instead, we produce time-frequency entangled photon pairs from spontaneous four-wave mixing process in atomic ensembles, which features long coherence time above hundred nanoseconds. We customize and construct multi orthogonal temporal modes and the superposition of them by directly modulating the temporal waveforms of temporally pure heralded single photon states, and characterize the single-photon mode functions completely through an improved homodyne tomography technique. For the first time, we also study the quantum storage of temporal multi modes, and identify and manipulate the mode components of the temporal waveforms through joint time-frequency analysis, temporal-mode interference and selective retrieval of stored modes. Our research will provide some fresh ideas and feasible experimental techniques, which might be inspiring for the frontier areas such as quantum communication and quantum computation.

非经典光的制备对研究量子力学基本问题和实现量子科学应用至关重要，人们要求提高利用光量子传递和处理信息的效率。传统上单光子或光子对大多基于偏振和空间模式进行操控，而对时间频率自由度的探索是近两年的新兴方向。本项目基于单光子时域模式研究该自由度在量子信息科学中的应用，其优点在于可用于构建高维量子网络，并直接通过单模光纤低损传输。晶体自发参量下转换产生的单光子由于相干时间短，其时域纯度较低，而本项目基于原子系综自发四波混频过程产生时频纠缠的光子对，主要特征是相干时间达百纳秒以上。本项目通过直接调制时域纯态的预报式单光子的时域波形，来自定义构建多个正交时域模式及其叠加态，并利用一种改进的平衡零拍探测技术完整刻画单光子模式函数。本项目还首次研究时域多模的量子存储，并利用时频分析、模式干涉和模式选择性读取等技术识别和操控时域波形的模式组分。我们的研究结果将提供新的思路和实验技术，对于量子通信、量子计算等前沿领域具有重要的启发价值。

量子精密测量和量子计算等前沿应用领域，对量子系统的操控和测量精度提出越来越高的要求。尤其在对单原子的量子态操控和利用单光子进行量子态读出时，人们通常在实验研究中受限于有限的物理机制和趋近仪器极限的测量灵敏度。本项目针对这些问题开展了一系列工作，从理论和实验上提出和改进了一些新的研究方法、发展了一些新的实验技术，主要包括：研究了金刚石NV色心中电荷态在多波长照射下的转化规律，验证了红外光对电荷态转化的高效加速作用；利用自主研发的光子飞行时间记录仪结合机器学习技术，提出利用“非二元值(non-binary)权重”的概念调整光子时间模式以发展出更高效率的量子态读出方法，相比传统方法降低了7%的自旋读出误差；利用金刚石NV色心中的电子自旋来实现自旋链的动力学量子相变过程的模拟，该方法可以被进一步应用于其他多体奇异现象的研究；基于固态量子模拟器在室温下实现了Floquet拓扑相的数字量子模拟，解释了数字模拟量子淬火的过程，并观测了Floquet拓扑相的非平衡动力学过程；利用涡旋光场实现了能够确定单个NV色心朝向的具有纳米级分辨率的免校准矢量磁力计，可以很容易地应用于基于NV色心的磁探测与成像；设计并制备了一种用于量子相干操控的宽带微波器件，该装置采用带有多段切比雪夫阻抗变压器来实现不平衡到平衡馈线的转换，已经实现了2.2GHz的带宽，最大谐振频率达到4.4GHz。本项目的开展有力地推动了单原子尺度下量子态的制备、操控和读取手段的发展，有效提高了利用单光子进行量子态信息的最大化提取，展示了NV色心准单原子系统在量子精密测量和量子模拟应用中的巨大潜力，发展了一些技术手段用以提高探测精度和效率。我们的研究结果将为量子光学和量子信息科学的发展提供有益的参考价值，推动相关理论和技术进入应用领域。