无序介质中量子光场的动力学性质和相干性质研究

Light waves propagating through a disordered medium are usually described as multiple scatterings where interference effects can survive the disorder and lead to a localization event in space. That is the so-called Anderson localization, firstly proposed by P. W. Anderson in 1958. Up to now, Anderson localization has been studied extensively with electrons, classical light waves, and matter waves, etc. On the other hand, quantum optics is attracting more and more attention. In this project, we will combine the concepts from both disordered physics and quantum optics, and study the statistical properties of the quantized optical fields in disordered media. We will uncover the dynamical behaviors and coherent properties of quantum optical states travelling in the disordered media, with the aim to explore the emergent quantum effects of quantum lights.

光波在无序介质中传播时，光的不同散射路径之间的干涉会导致局域化现象，这种现象称为光的Anderson局域化。Anderson局域化是非常基础的波动现象，由P. W. Anderson于1958年提出，已经在凝聚态、经典光学、冷原子等多个领域中做了大量的研究。量子光学作为光学的重要分支，任务之一是研究光场量子化之后的量子统计特性。在本项目中我们将把无序物理和量子光学结合起来，探讨光学量子态在无序体系中的统计性质。我们将应用理论分析和数值计算的方法，从不同的方位和层次研究量子态在无序介质中的传播动力学和演化过程中的相干性质。此项研究的主要目的是解决量子光场在无序光学介质中统计行为的物理机制，以及探讨新的量子光学效应。

实现量子信息处理芯片是当前量子科技革命的关键，其中集成光量子芯片是一种重要的技术手段。本项目的研究内容是集成光量子芯片中存在的缺陷和无序如何影响纠缠光子的动力学性质，解决光子集成器件中的缺陷会削弱量子相干性的问题。我们通过构建理论模型，提出了一种特殊的光量子芯片的设计，这种设计能够在很大程度上利用光路中的无序和束缚态来增强纠缠光子的保真度，从而解决了无序可作为新型光路设计的理论基础。具体而言，我们的光路中能够存在一种特殊的束缚态，其特点是非常稳定，不会受到光路中缺陷和无序的影响。在此基础之上，我们利用这种束缚态来传播纠缠光子。我们的结果指出：光路中的无序和缺陷不会削弱光子的保真度，反而会增强；尤其对于反相位纠缠光子，其保真度在强无序情况下接近一。我们进一步提出了非阿贝尔规范场模型，并研究了无序所导致的量子态的局域性质，为将来研究非阿贝尔规范场中纠缠光子态的性质奠定了基础。在理论结果的基础之上，我们积极地与相关实验组展开合作，已制备出芯片样品，相关的实验测量正在进行中。我们的结果对于集成量子光学器件的实用化具有一定的指导意义。