基于铷原子系综中四波混频的空间复用产生多组份量子关联光束的研究

In recent years, with the rapid development of quantum information, quantum communication, and quantum networks, the generation of multipartite quantum correlated beams in quantum systems has received more and more attention. The use of four-wave mixing with spatial multiplexing to generate multipartite quantum correlated beams is an effective method. However, in the current study, only one-to-many mode is used to inject light, that is, one pump light and multiple probe lights, or one probe light and multiple pump lights, and four wave mixing is not fully utilized. Based on the above research background, this project aims to make full use of the spatial multiplexing of four-wave mixing, by constructing a "many-to-many" mode of injected light, that is, multiple pump lights and multiple probe lights, which can not only be more efficient to generate multipartite quantum correlated beams, and the quantum correlation between the beams is also enhanced. On this basis, by changing the Gaussian pump light and probe light to conical pump light and conical probe light, four-wave mixing can be verified when the number of pump light and probe light tends to be infinitely high. The quantum correlation produced by this method has obvious multi-models. This study can provide a more efficient method for the preparation of large-scale quantum associated beams. It will have potential application value in the fields of quantum information, quantum communication and quantum networks.

近年来，随着量子信息、量子通讯以及量子网络等领域的迅速发展，量子系统中产生多组份量子关联光束受到越来越多的关注。利用四波混频的空间复用产生多组份量子关联光束是一种有效方法。然而，目前的研究中注入光只采用了“一对多”的模式，即一个泵浦光与多个探针光，或一个探针光与多个泵浦光，都没有充分利用四波混频的空间复用。基于上述研究背景，本项目旨在充分利用四波混频的空间复用，通过构建注入光“多对多”的模式，即多个泵浦光与多个探针光，不仅可以更高效的产生多组份量子关联光束，而且光束之间的量子关联也会增强。在此基础上，通过将高斯模式的泵浦光和探针光改变成锥形泵浦光和锥形探针光，可以验证泵浦光和探针光的数量趋于无穷多时的四波混频，这种方式产生的量子关联具有明显的多模特性。该研究可以为制备大尺度量子关联光束提供一种更高效的方法，将在量子信息、量子通讯以及量子网络等领域有着潜在的应用价值。

近年来，随着多模量子关联与纠缠在基础科学研究以及量子信息处理、量子通信等领域扮演着越来越重要的角色，四波混频作为一种有效产生量子关联光束的方案受到国内外广泛的关注。本项目以铷原子系综中的四波混频过程为基础，通过充分利用四波混频的空间复用技术高效地产生多组份量子关联光束。我们通过级联四波混频过程实验上产生四组份量子关联光束，并测量存在于四束光之间的强度差压缩约为-8.2dB。通过测量不同实验参数时的强度差压缩，找到使四光量子关联最强时的实验参数。不仅如此，我们发现四光中两两之间的噪声并不相同，有些存在量子关联，有些不存在量子关联。因此我们理论计算并设计实验详细研究存在于四光中两两之间的量子关联随增益的变化关系，理论计算的结果和实验计算的结果基本吻合，实验结果表明四光中两两之间的关联可以通过调节增益来实现经典关联到量子关联的可控调制。我们基于热铷原子系综中的四波混频过程，通过构建具有空间结构的锥形泵浦光和锥形探针光，在实验上产生具有量子关联的锥形探针光和锥形共轭光，并测量到量子关联光束之间的强度差压缩约为-2.6dB。在量子关联的多模特性的研究中，我们通过“整体衰减法”和“局部切割法”对量子关联光束进行不同方式的处理，实验测量量子关联随透射率的变化关系，而且深入研究量子关联的多模特性，证明了量子关联具有同侧的对应关系。我们项目的开展，不仅为产生多模量子关联的研究提供有效方案，而且在量子信息处理以及量子通信领域有着潜在的应用价值。